DE1163559B - Method and device for the production of single-crystal rods, in particular for semiconductor arrangements, by means of crucible-free zone melting - Google Patents

Method and device for the production of single-crystal rods, in particular for semiconductor arrangements, by means of crucible-free zone melting

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DE1163559B
DE1163559B DES70020A DES0070020A DE1163559B DE 1163559 B DE1163559 B DE 1163559B DE S70020 A DES70020 A DE S70020A DE S0070020 A DES0070020 A DE S0070020A DE 1163559 B DE1163559 B DE 1163559B
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Dipl-Phys Dr-Ing Karl He Geyer
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    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B13/00Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting
    • C30B13/28Controlling or regulating
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Description

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von einkristallinen Stäben, insbesondere für Halbleiteranordnungen, durch tiegelfreies Zonenschmelzen Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines einkristallinen Stabes, der insbesondere zur Herstellung von Halbleiterkörpern für Halbleiteranordnungen, wie Flächengleichrichter, Flächentransistoren oder Halbleiterstromtore, vorzugsweise auf der Basis eines Halbleiters aus oder nach Art von Germanium oder Silizium bestimmt ist, durch tiegelfreies Zonenschmelzen an einem polykristallinen Stab, der an dem einen Ende mit einem einkristallinen Keimkristall verbunden ist.Method and device for the production of monocrystalline rods, in particular for semiconductor arrangements, by crucible-free zone melting The present The invention relates to a method and an apparatus for manufacturing a monocrystalline rod, which is used in particular for the production of semiconductor bodies for Semiconductor arrangements, such as surface rectifiers, surface transistors or semiconductor current gates, preferably based on a semiconductor made of or in the manner of germanium or Silicon is determined by crucible-free zone melting on a polycrystalline Rod that is connected at one end to a single-crystalline seed crystal.

Bisher wurden solche Verfahren zur Herstellung einkristalliner Stäbe in der Weise durchgeführt, daß der mit dem Keimkristall verbundene polykristalline Stab derart mit seiner Achse vertikal in die Ziehvorrichtung eingesetzt wurde, daß der Keimkristall sich am unteren Ende des Stabes befand. Die an dem zu behandelnden Stab erzeugte geschmolzene Zone wurde während des Zonenschmelzens in der Richtung von unten nach oben über den umzuwandelnden Stab hinweggeführt. Hierbei ergibt sich jeweils an der geschmolzenen Zone, die im wesentlichen nur durch die Oberflächenspannung des schmelzflüssigen Materials zusammengehalten wird, nach ihrem unteren Ende zu eine Ausbauchung größeren Durchmessers. Bei dieser Art der Herstellung von einkristallinen Stäben, bei der der durch Abkühlung und Auskristallisieren einkristalline Stab sich unten an die Schmelzzone anschließt, also in Richtung der Neigung der Schmelzzone sich abzusenken und entgegen der Wirkung der Oberflächenspannung sich auszubauchen, kann es bei »Atmungsvorgängen« in diesem Ausbauchungszustand, d. h. beim Ausweiten und beim Zusammenziehen des Querschnitts des ausgebauchten Teiles der Schmelzzone, zur-Erzeugung von Temperaturstößen in dem wieder auskristallisierenden oder wieder auskristallisierten Einkristallgefüge kommen, die wiederum zur unerwünschten Ausbildung von Versetzungen in der Kristallgitterstruktur des Einkristalls oder zu einer Erhöhung der Anzahl der Versetzungen Anlaß geben können. Diese nachteilige Erscheinung kann gegebenenfalls auch begünstigt werden, wenn an dem in seiner Kristallgitterstruktur in den einkristallinen Zustand umzuwandelnden Stab zur Erzielung einer glätten Oberfläche ein abhängig von dem jeweiligen Durchmesser des Stabes gesteuerter Zieh- und Stauchvorgang in der Längsrichtung des Stabes, d. h. ein Auseinanderführen und Gegeneinanderführen der noch formfesten Teile des Stabes, angewendet wird. Jedenfalls ergibt gegenüber einer solchen Art der Fertigung eines einkristallinen Stabes die Herstellung nach dem Tiegelziehverfahren aus der Schmelze, bei welchem der einkristalline Stab an den nach oben gezogenen Keimkristall und den gebildeten Einkristall durch dessen Ziehen aus der in einem Tiegel enthaltenen Schmelze unten anwächst, oftmals bessere Kristallisationsbedingungen und versetzungsärmere Kristalle.Heretofore, such methods have been used for producing single crystal rods carried out in such a way that the polycrystalline connected to the seed crystal Rod was inserted with its axis vertical in the pulling device that the seed crystal was at the lower end of the rod. The one to be treated Bar generated molten zone was during zone melting in the direction passed from bottom to top over the rod to be converted. This results in each at the molten zone, which is essentially only due to the surface tension of the molten material is held together towards its lower end a bulge of larger diameter. With this type of production of single crystal Rods in which the rod becomes monocrystalline through cooling and crystallization adjoins the melting zone at the bottom, i.e. in the direction of the inclination of the melting zone to lower oneself and to bulge against the effect of the surface tension, it can happen during "breathing processes" in this bulging state, i. H. when expanding and upon contraction of the cross-section of the bulged part of the melting zone, to generate temperature surges in the recrystallizing or again Crystallized single crystal structures come, which in turn lead to undesirable formation of dislocations in the crystal lattice structure of the single crystal or an increase the number of transfers can give rise to. This adverse phenomenon can may also be favored if at that in its crystal lattice structure rod to be converted into the monocrystalline state to achieve a smooth surface a drawing and upsetting process controlled depending on the respective diameter of the rod in the longitudinal direction of the rod, d. H. leading apart and against each other the still dimensionally stable parts of the rod, is used. In any case, gives opposite such a type of production of a single crystal rod according to the production the crucible pulling process from the melt, in which the monocrystalline rod is attached the upwardly pulled seed crystal and the single crystal formed by it Pulling from the melt contained in a crucible grows at the bottom, often better Crystallization Conditions and Crystals with Less Dislocation.

Es war für das tiegelfreie Zonenschmelzen zum Reinigen polykristalliner Halbleiterstäbe bekannt, den zu behandelnden Halbleiterstab an jedem seiner Enden in dem innerhalb eines Quarzglaszylinders liegenden Ende eines wassergekühlten Rohres zu befestigen, welches sich durch seine gasdichte Führung in der zugehörigen Bodenabschlußplatte des Zylinders hindurch bis in die für sie vorgesehene und mit einer Flügelschraube ausgestattete Einspannstelle in einem der Schenkel einer U-förmigen mechanischen, gegen die Rohre elektrisch isolierten Brücke erstreckt, welche mit der offenen Seite der U-Form senkrecht zur Achse der Rohre bzw. des zu behandelnden Stabes liegt. Bei dieser bekannten Anordnung ist für ihre Benutzung angegeben, daß nach dem Lösen der Flügelschrauben an den Einspannstellen der Brücke und dem Bewegen der Rohre, in deren Enden der zu behandelnde Stab eingespannt ist, seine geschmolzene Zone in der durch den Zylinder und die Bodenabschlußplatten gebildeten Kammer nach oben geführt werden kann.It was polycrystalline for the crucible-free zone melting for cleaning Semiconductor rods known, the semiconductor rod to be treated at each of its ends in the end of a water-cooled tube located inside a quartz glass cylinder to attach, which is due to its gas-tight guide in the associated bottom plate of the cylinder through to the one provided for you and with a wing screw equipped clamping point in one of the legs of a U-shaped mechanical, against the pipes electrically insulated bridge extends, which with the open side the U-shape is perpendicular to the axis of the tubes or the rod to be treated. In this known arrangement it is indicated for their use that after loosening the wing screws at the clamping points of the bridge and moving the pipes, in the ends of which the rod to be treated is clamped, its molten zone upwards in the chamber formed by the cylinder and the bottom end plates can be performed.

Bei dieser bekannten Lösung für das Zonenreinigen eines dabei polykristallin bleibenden Halbleiterstabes wird also ebenfalls der bekannten Lehre gefolgt, die Schmelzzone von unten nach oben über den Stab hinwegzuführen.In this known solution for the zone cleaning one thereby polycrystalline permanent semiconductor rod is also followed the known teaching that Guide the melting zone from bottom to top over the rod.

In Verbindung mit diesem tiegelfreien Zonenschmelzen zum Reinigen eines polykristallinen Stabes war es bekannt, zu beiden Seiten der primären, den Quarzglaszylinder außen umschließenden Induktionsbeheizungsspule für die Schmelzzone, in der Achsrichtung des Stabes gerechnet, zur Unterstützung der Wirkung der Oberflächenspannung der geschmolzenen Zone je eine magnetische Stützfeldspule vorzusehen, von denen jede gleich der Heizspule den Quarzglaszylinder umschließt, und deren in der Achsrichtung des Stabes aufeinanderfolgende Windungen eine solche Formgebung besitzen, als wäre diese Wicklung auf der Mantelfläche eines Kegelstumpfes als Hilfskern aufgewickelt worden, dessen größere Grundfläche jeweils der Ebene der Heizspule zugewandt liegt.In connection with this crucible-free zone melting for cleaning a polycrystalline rod it was known on both sides of the primary induction heating coil surrounding the quartz glass cylinder for the melting zone, calculated in the axial direction of the rod, to support the Effect of the surface tension of the melted zone one magnetic support field coil each to be provided, each of which encloses the quartz glass cylinder like the heating coil, and its consecutive turns in the axial direction of the rod one such Have shape as if this winding were on the outer surface of a truncated cone been wound up as an auxiliary core, the larger base area of which is the plane facing the heating coil.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein tiegelfreies Zonenschmelzverfahren zur Herstellung einkristalliner Stäbe unter Benutzung eines Keimkristalls zu schaffen, welches in deren Kristallgitterstruktur dem Tiegelziehverfahren gütemäßig gleichwertige und entsprechende versetzungsarme einkristalline Körper liefert.The aim of the present invention is to provide a crucible-free zone melting process to create single crystal rods using a seed crystal, which in its crystal lattice structure is equivalent to the crucible pulling process in terms of quality and provides corresponding low-dislocation single-crystal bodies.

Erfindungsgemäß wird zur Erreichung dieses angestrebten Effektes das tiegelfreie Zonenschmelzen an einem mit einem Keimkristall versehenen Halbleiterstab derart und in einer solchen Vorrichtung durchgeführt, daß bei oben an dem Halbleiterstab vorbesehenen einkristallinen Keim die bzw. jede geschmolzene Zone von oben nach unten in der Längsrichtung über den Stab hinweggeführt wird. Die neu gebildete Kristallgitterstruktur liegt dann in gleichartiger Weise wie beim Tiegelziehverfahren immer oberhalb der geschmolzenen Zone des Stabes. Ein »Atmen« der Schmelzzone in ihrem ausgebauchten, durch Oberflächenspannung zusammengehaltenen Teil kann den Auskristallisationsvorgang und das auskristallisierte Material des Kristalls nicht mehr durch Temperaturstöße beeinflussen, sondern nur diejenige Zone des zu behandelnden Stabes, welche erst in den geschmolzenen Zustand einbezogen werden soll.According to the invention, in order to achieve this desired effect, the Crucible-free zone melting on a semiconductor rod provided with a seed crystal carried out in such a way and in such a device that at the top of the semiconductor rod provided monocrystalline seed the or each melted zone from top to bottom is passed down in the longitudinal direction over the rod. The newly formed crystal lattice structure is then always above the in the same way as in the crucible pulling process melted zone of the rod. A "breathing" of the enamel zone in its bulging, Part held together by surface tension can cause the crystallization process and the crystallized material of the crystal is no longer due to temperature surges influence, but only that zone of the rod to be treated, which only should be included in the molten state.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren schreitet aber nun die schmelzflüssige Zone in der Vorrichtung in der gleichen Richtung fort, in welcher auch die' Schwerkraft an dem geschmolzenen Material wirksam ist. Es kann sich daher bei einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als zweckmäßig erweisen, das zunächst durch die Oberflächenspannung bestimmte Zusammenhalten der geschmolzenen Zone an dem Stab durch ein in der Schilderung des angeführten Standes der Technik angeführtes, also an sich bekanntes magnetisches Stützfeld zu unterstützen. Das kann z. B. bei der relativen Bewegung zwischen dem zu behandelnden Stab und der zur Erzeugung der geschmolzenen an dem Stab abwärts zu führenden Zone an diesem dienenden Heizwicklung durch eine dieser voreilende, also unterhalb derselben vorgesehene, den Stab umschließende Stützfeldspule erzeugt werden, welche also insbesondere auf den unteren Teil der schmelzflüssigen Zone eine nach oben gerichtete mechanisch stützende Beeinflussung ausübt.In the method according to the invention, however, the molten one is now progressing Zone in the device continues in the same direction in which the force of gravity is effective on the molten material. It can therefore be a device prove to be useful for carrying out the method according to the invention, the first by the surface tension certain cohesion of the molten zone the staff by one of the descriptions of the state of the art, thus to support a known magnetic support field. This can be B. at the relative movement between the rod to be treated and that used to generate the molten zone to be led down the rod on this serving heating coil by one of these leading, so provided underneath the same, enclosing the rod Support field coil are generated, which so in particular on the lower part of the molten zone an upward mechanical supportive influence exercises.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand einer beispielsweisen Ausführung wird nunmehr auf die schematische Darstellung nach der Zeichnung Bezug genommen. In dieser Figur bezeichnet 1 den in seinen einkristallinen Zustand überzuführenden Stab, z. B. aus Silizium oder Germanium oder einer intermetallischen Verbindung, z. B. einer AIIIBV-Verbindung, der an seinem oberen Ende mit einem einkristallinen Keimling 2 verbunden ist. 3 bezeichnet eine den zu behandelnden Stab umschließende Spule, welche für die Erzeugung der geschmolzenen Zone 4 an dem Halbleiterstab 1 z. B. mit einem hochfrequenten Strom von etwa 1 bis zu mehreren Megahertz beschickt wird. Unterhalb dieser Spule 3 ist eine weitere Spule 5 zur Erzeugung eines magnetischen Feldes vorgesehen, welches an der schmelzflüssigen Zone 4 als ein nach oben gerichtetes Stützfeld mechanisch wirksam ist. Ein solches Stützfeld wird vorzugsweise dann gleichzeitig zur Anwendung gelangen, wenn das tiegelfreie Zonenschmelzen an relativ dicken Stäben mit einem Durchmesser von etwa 10 mm oder mehr durchgeführt werden soll. Die Stützfeldspule kann mit einem Strom von z. B. etwa 10 kHz oder mehr gespeist werden. Der eingetragene Pfeil 6 bezeichnet die Richtung, in welcher die geschmolzene Zone über den Halbleiterstab, also von dem Keimling weg, von oben nach unten geführt wird. Die Vorrichtungen für die Einspannung des zu behandelnden Körpers sind nur schematisch angedeutet und mit 7 und 8 bezeichnet.For a more detailed explanation of the invention on the basis of an exemplary embodiment, reference is now made to the schematic representation according to the drawing. In this figure, 1 denotes the rod to be converted into its monocrystalline state, e.g. B. made of silicon or germanium or an intermetallic compound, e.g. B. an AIIIBV connection, which is connected at its upper end to a single-crystal seedling 2. 3 denotes a coil surrounding the rod to be treated, which coil is used to generate the molten zone 4 on the semiconductor rod 1, for example. B. is charged with a high-frequency current of about 1 to several megahertz. Below this coil 3, a further coil 5 is provided for generating a magnetic field which is mechanically effective on the molten zone 4 as an upwardly directed supporting field. Such a support field is preferably used at the same time when the crucible-free zone melting is to be carried out on relatively thick rods with a diameter of approximately 10 mm or more. The support field coil can with a current of z. B. about 10 kHz or more are fed. The arrow 6 shown denotes the direction in which the molten zone is guided over the semiconductor rod, that is to say away from the seedling, from top to bottom. The devices for clamping the body to be treated are only indicated schematically and denoted by 7 and 8.

Claims (2)

Patentansprüche: 1. Verfahren zum Herstellen eines einkristallinen Stabes aus einem mit einem einkristallinen Keimling verbundenen polykristallinen Stab durch tiegelfreies Zonenschmelzen, insbesondere zur Herstellung von Halbleiterkörpern für Halbleiteranordnungen, wie Flächengleichrichter, Flächentransistoren oder Halbleiterstromtore, d a d u r c h gekennzeichnet, daßdiegeschmolzene Zone an dem zu behandelnden Stab, der an seinem oberen Ende mit dem einkristallinen Keimkristall verbunden ist, von oben nach unten geführt wird. Claims: 1. A method for producing a monocrystalline Rod made of a polycrystalline connected to a single-crystalline seedling Rod through crucible-free zone melting, in particular for the production of semiconductor bodies for semiconductor arrangements, such as surface rectifiers, surface transistors or semiconductor current gates, d a d u r c h denotes that the melted zone on the rod to be treated, which is connected at its upper end to the single-crystal seed crystal, of is guided up and down. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit der Heizeinrichtung zur Erzeugung der geschmolzenen Zone an dem zu behandelnden Stab eine bei der Abwärtsbewegung der Schmelzzone an dem Stab dieser Heizeinrichtung wegmäßig voreilende Einrichtung zur an sich bekannten Erzeugung eines magnetischen Stützfeldes benutzt ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 1014 332; USA.-Patentschrift Nr. 2 897 329.2. Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized in that in connection with the heating device for generating the melted zone on the rod to be treated, a path-wise leading device for the known generation of a during the downward movement of the melting zone on the rod of this heating device magnetic support field is used. Documents considered: German Patent No. 1 014 332; U.S. Patent No. 2,897,329.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2897329A (en) * 1957-09-23 1959-07-28 Sylvania Electric Prod Zone melting apparatus

Patent Citations (1)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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