Verfahren zum Ziehen von vorzugsweise einkristallinen Halbleiterstäben
Es hat sich gezeigt, daß die aus einer in einem Tiegel befindlichen Schmelze gezogenen
Halbleiterstäbe eine große Zahl von Versetzungen aufweisen. Diese Gitterfehler wirken
bei der Weiterverarbeitung des nach dem Tiegelziehverfahren hergestellten Halbleitermaterials
in Halbleiteranordnungen, wie z. B. Transistoren oder Dioden, störend. Diese Versetzungen
sind auf eine plastische Verformung des noch heißen aus der Schmelze gezogenen Halbleiterkristalls
zurückzuführen. Ursache dieser Verformungen ist der radiale Temperaturgradient im
Halbleiterstab, der sich durch Abstrahlung des aus dem Tiegel gezogenen Kristalls
ausbildet.Method for pulling preferably single-crystal semiconductor rods
It has been shown that the drawn from a melt in a crucible
Semiconductor rods have a large number of dislocations. These lattice errors work
in the further processing of the semiconductor material produced by the crucible pulling process
in semiconductor devices, such as. B. transistors or diodes, disturbing. These dislocations
are on a plastic deformation of the still hot semiconductor crystal pulled from the melt
traced back. The cause of these deformations is the radial temperature gradient im
Semiconductor rod, which is formed by radiation of the crystal pulled from the crucible
trains.
Es ist bereits bekannt, sowohl über dem dem gezogenen Stab zugewandten
Teil der Schmelze als auch kurz oberhalb der Schmelze einen z. B. als Ringscheibe
ausgebildeten Wärmeschirm anzuordnen.It is already known both over the one facing the drawn rod
Part of the melt and just above the melt a z. B. as an annular disc
to arrange trained heat shield.
Weiter ist bereits bekannt, die Abstrahlung und damit den radialen
Temperaturgradienten dadurch zu vermindern, daß man den Stab durch einen sich nach
oben kegelförmig verjüngenden Schirm hindurchzieht. Diese Maßnahme zur Verringerung
des radialen Temperaturgradienten reduziert aber auch den längs der Stabachse wirksamen
Temperaturgradienten. Dieser axiale Temperaturgradient ist jedoch notwendig, um
die bei der Erstarrung des Halbleitermaterials, also die bei der Bildung des Stabes
frei werdende Schmelzwärme abzuführen. Durch Verringerung dieses axialen Temperaturgradienten
wird also auch die abgeführte Menge der Schmelzwärme verringert. Dies hat eine Verminderung
der maximal möglichen Ziehgeschwindigkeit zur Folge.Furthermore, the radiation and thus the radial radiation is already known
To reduce temperature gradients by the fact that the rod by one after
at the top pulls a cone-shaped tapering screen through it. This measure to reduce
however, the radial temperature gradient also reduces the one that is effective along the rod axis
Temperature gradient. However, this axial temperature gradient is necessary to
those during the solidification of the semiconductor material, i.e. those during the formation of the rod
dissipate released heat of fusion. By reducing this axial temperature gradient
the amount of heat of fusion dissipated is also reduced. This has a diminution
the maximum possible pulling speed result.
Nun werden Versetzungen im gezogenen Stab möglichst vermieden bzw.
ihre Zahl wesentlich herabgesetzt und gleichzeitig die maximal mögliche Ziehgeschwindigkeit
sehr groß, wenn zum Ziehen von vorzugsweise einkristallinen Halbleiterstäben aus
einer in einem Tiegel befindlichen Schmelze der Halbleiterstab erfindungsgemäß zunächst
durch die den radialen Temperaturgradienten vermindernde und nachfolgend durch eine
den axialen Temperaturgradienten vergrößernde Zone gezogen wird. Mittels eines teilweise
in die Spule ragenden Wärmeschirms eine besonders zweckmäßige Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens gemäß der Erfindung dadurch gegeben, daß der Wärmeschirm und über
diesem ein zylindrischer Kühlmantel angeordnet ist.Dislocations in the drawn member are now avoided or
their number is significantly reduced and at the same time the maximum possible pulling speed
very large if used for pulling preferably single-crystal semiconductor rods
a melt located in a crucible, the semiconductor rod according to the invention initially
by reducing the radial temperature gradient and subsequently by a
the axial temperature gradient enlarging zone is drawn. By means of a partial
In the coil protruding heat shield a particularly useful device for implementation
of the method according to the invention given that the heat shield and over
this a cylindrical cooling jacket is arranged.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung dient das in der Zeichnung dargestellte
und im folgenden beschriebene Ausführungsbeispiel.For a more detailed explanation of the invention, the one shown in the drawing is used
and the embodiment described below.
In einem z. B. aus Graphit bestehenden Tiegel 1 befindet sich die
Schmelze 2 des Halbleitermaterials, also z. B. eine Germanium- oder Siliziumschmelze.
Das Halbleitermaterial wird durch eine Hochfrequenzspule 5 aufgeheizt und auf der
zum Ziehen notwendigen Temperatur gehalten. Auf dem Tiegel ist zur Verminderung
des axialen Temperaturgradienten des gezogenen Stabes ein zylindrischer, als Strahlungsschutz
dienender Schirm 3 angeordnet, der mit einem Sehschlitz 4 zur Beobachtung
des Ziehvorgangs versehen ist. Der Schirm besteht z. B. aus Molybdän oder Tantal
oder einem anderen die Wärmestrahlung reflektierenden Material. Durch diesen Schirm
wird die Wärmeabstrahlung des während der Durchführung des Verfahrens durch den
Schirm gezogenen Halbleiterstabes unterbunden. Oberhalb dieses Strahlungsschutzes
3 ist ein vorzugsweise zylindrischer Kühlmantel 7 und 9 angeordnet,
der von einem Kühlmittel, z. B. Wasser, durchflossen wird. Der Keimhalter 8 dient
zur Aufnahme des Einkristalls, der zu Beginn des Verfahrens in die Schmelze 2 eingetaucht
wird und an den beim Herausziehen die Schmelze ankristallisiert, so daß ein einkristalliner
Halbleiterstab entsteht. Die Ziehachse 10 kann während des Ziehens auch gedreht
werden. Durch Zugabe von Dotierungsstoffen in die Schmelze während des Ziehens können
in an sich bekannter Weise auch pn-Übergänge hergestellt werden.In a z. B. made of graphite crucible 1 is the melt 2 of the semiconductor material, so z. B. a germanium or silicon melt. The semiconductor material is heated by a high-frequency coil 5 and kept at the temperature necessary for drawing. To reduce the axial temperature gradient of the drawn rod, a cylindrical screen 3, which serves as a radiation protection and is provided with a viewing slit 4 for observing the drawing process, is arranged on the crucible. The screen consists z. B. of molybdenum or tantalum or another material reflecting the thermal radiation. This screen prevents the radiation of heat from the semiconductor rod pulled through the screen while the method is being carried out. Above this radiation protection 3, a preferably cylindrical cooling jacket 7 and 9 is arranged, which is of a coolant, for. B. water, is flowed through. The seed holder 8 serves to hold the single crystal, which is immersed in the melt 2 at the beginning of the process and on which the melt crystallizes when it is pulled out, so that a single crystal semiconductor rod is produced. The pull shaft 10 can also be rotated while pulling. By adding dopants to the melt during drawing, pn junctions can also be produced in a manner known per se.
In der Höhe des Kühlmantels 7 herrscht zwar ein großer radialer Temperaturgradient
im Halbleiterstab, doch ist der Kristall, wenn er in die Kühlzone gelangt, bereits
so weit abgekühlt, daß keine plastische Verformung und damit keine Bildung von Versetzungen
mehr auftritt.At the height of the cooling jacket 7 there is a large radial temperature gradient
in the semiconductor rod, but the crystal is already there when it gets into the cooling zone
cooled so far that no plastic deformation and thus no formation of dislocations
occurs more.
Die Verbesserung der physikalischen Eigenschaften des nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten Halbleitermaterials ist aus den im folgenden gegebenen Vergleichswerten
zu entnehmen.
Es wurden Stäbe gezogen, bei denen weder der radiale
Temperaturgradient vermindert noch der axiale erhöht wird. Die Anzahl der Versetzungen
betrug 40000 pro Quadratzentimeter. Außerdem weist der so hergestellte Halbleiterstab
Feinkorngrenzen auf. Verwendet man beim Ziehen nur einen Strahlungsschutz und vermindert
so den radialen Temperaturgradienten, so ist zwar die Zahl der Versetzungen verringert,
gleichzeitig wird jedoch auch, der axiale Temperaturgradient so verringert, daß
die maximal mögliche Ziehgeschwindigkeit nur etwa 2 mm in. beträgt. Bei einem
nach dem Verfahren gemäß der Erfindung gezogenen Stab beträgt die Anzahl der Versetzungen
3000 bis 5000 pro Quadratzentimeter. Er weist keine Feinkorngrenzen auf. Außerdem
erhöht sich die maximale Ziehgeschwindigkeit auf etwa 3 mm/Min.The improvement in the physical properties of the semiconductor material produced by the method according to the invention can be seen from the comparison values given below. Rods were drawn in which the radial temperature gradient is neither reduced nor the axial one increased. The number of dislocations was 40,000 per square centimeter. In addition, the semiconductor rod produced in this way has fine grain boundaries. If only one radiation protection is used during drawing and thus the radial temperature gradient is reduced, the number of dislocations is reduced, but at the same time the axial temperature gradient is reduced so that the maximum possible drawing speed is only about 2 mm in. In a rod drawn by the method according to the invention, the number of dislocations is 3000 to 5000 per square centimeter. It has no fine grain boundaries. In addition, the maximum pulling speed increases to about 3 mm / min.