DE1289519B

DE1289519B - Device for pulling a semiconductor crystal from a melt

Info

Publication number: DE1289519B
Application number: DE1962S0082500
Authority: DE
Inventors: Rummel; Dr Theodor
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1962-11-19
Filing date: 1962-11-19
Publication date: 1969-02-20

Description

Für die Herstellung von stabförmigen Halbleiterkristallen mit über die ganze Stablänge wenigstens annähernd konstanten Querschnitt sind mehrere Vorrichtungen bekanntgeworden. Diese Vorrichtungen wirken meistens so, daß ein Kristallkeim in die Schmelze getaucht und, nachdem die Fläche zwischen Kristall und Schmelze in ein thermisches Gleichgewicht gekommen ist, dieser Kristallkeim mit einer solchen Geschwindigkeit wieder herausgezogen wird, daß das geschmolzene Halbleitermaterial am Keim ankristallisiert. Dabei wird im allgemeinen der sich bildende Kristallkörper während des Herausziehens in Drehung versetzt.For the production of rod-shaped semiconductor crystals with over the entire length of the rod at least approximately constant cross-section are several devices known. These devices usually act so that a crystal nucleus in immersed the melt and after the area between the crystal and the melt in a thermal equilibrium has come about, this seed crystal with one Speed is pulled out again that the melted semiconductor material crystallized on the nucleus. In general, the crystal body that forms is thereby rotated during extraction.

Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Ziehen eines Halbleiterkristalls aus der Schmelze mit einem Tiegel für die Schmelze und einem unterhalb des Tiegelbodens angeordneten Widerstandsheizer ist dadurch gekennzeichnet, daß der Heizer unterhalb der Tiegelbodenmitte eine verminderte Heizleistung aufweist oder daß zwischen Heizer und Tiegelbodenmitte dicker, d. h. so ausgebildet sein, Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der Heizer mäanderförmig ausgebildet ist. Dieser Heizer kann aus Graphit bestehen und sich zur Erzielung horizontal ebener Isothermen am besten unter dem Tiegel parallel zum Tiegelboden erstrecken. Beispielsweise kann der Heizer unter der Tiegelbodenmitte dicker, d. h., so ausgebildet sein, daß dort seine Heizleistung geringer ist als unter der Randzone des Tiegelbodens.The device according to the present invention for pulling a semiconductor crystal from the melt with a crucible for the melt and a resistance heater arranged below the crucible bottom is characterized in that the heater below the crucible bottom center has a reduced heating power or that between the heater and the crucible bottom center is thicker, i.e. H. be designed so, A further embodiment of the invention consists in that the heater is designed in a meandering shape. This heater can be made of graphite and ideally extend under the crucible parallel to the bottom of the crucible in order to achieve horizontally flat isotherms. For example, the heater below the center of the crucible bottom can be thicker, i.e. that is, be designed so that its heating power is lower there than under the edge zone of the crucible bottom.

In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß auf dem Teil der Oberfläche der Schmelze, welcher der Tiegelbodenmitte gegenüberliegt, eine auf der Schmelze schwimmende Blende angeordnet ist, die einen dem herzustellenden Kristall entsprechenden inneren Querschnitt besitzt und in horizontaler Richtung unbeweglich ist.In a further development of the inventive concept it is provided that on the part of the surface of the melt which is opposite the center of the crucible bottom, a diaphragm floating on the melt is arranged, the one to be produced Crystal has corresponding inner cross-section and in the horizontal direction is immobile.

Es sind zwar schon Kristaliziehvorrichtungen bekannt, bei denen der Kristall, insbesondere auch Halbleiterkristall, ohne Drehen aus der Schmelze gezogen wird, doch liegt diesen Vorrichtungen nicht die Aufgabe zugrunde, stabförmige Halbleiterkristalle mit über die ganze Länge des Stabes konstantem oder doch wenigstens annähernd konstantem Querschnitt herzustellen. Durch diese bekannten Vorrichtungen ohne Drehung des gezogenen Kristalls lassen sich lediglich Kristalle züchten, die infolge von Temperaturschwankungen, die im Innem oder auf der Oberfläche der Schmelze nicht ganz zu vermeiden sind, einen über die Länge des Kristalls gesehen, ungleichmäßigen Querschnitt aufweisen. Diese Kristalle sind für die Herstellung von Halbleiterscheiben, die durch verschiedene Maßnahmen, z. B. Einlegieruno, '2' von Elektroden usw., zu Halbleiterbauelementen weiterverarbeitet werden, nicht ohne weiteres geeinet. Die durch Zersägen eines solchen Kristalls quer zur Längsachse gewonnenen Scheiben sind in ihrer Größe sehr unterschiedlich, so daß sie erst, um gleiche elektrische Eigenschaften der daraus hergestellten Bauelemente zu gewährleisten, auf gleiche Größe gebracht werden müssen, was meist durch einen besonderen Säge- oder Schleifprozeß erreicht wird. Hierdurch ergibt sich einerseits, ganz abgesehen von dem notwendigen zusätzlichen Verfahrensschritt, ein merklicher Verlust an wertvollem Halbleitermaterial - es können Schnittverluste bis zu 70 11/o auftreten -, andererseits wird dadurch oft das Kristallgefüge des Halbleiters durch feine Risse und Spalten, die bis zu einer Tiefe von 10 li gehen können, zerstört, wodurch eine starke Oberflächenrekombination entsteht, so daß diese Scheiben besonders für die Herstellung von Transistoren nicht mehr geeignet sind.Although crystal pulling devices are already known in which the crystal, in particular semiconductor crystal, is pulled from the melt without turning, these devices are not based on the task of producing rod-shaped semiconductor crystals with a constant or at least approximately constant cross-section over the entire length of the rod . With these known devices without rotating the pulled crystal, only crystals can be grown which, as a result of temperature fluctuations which cannot be completely avoided inside or on the surface of the melt, have an uneven cross section over the length of the crystal. These crystals are used for the production of semiconductor wafers, which by various measures, such. B. Einlegieruno, '2' of electrodes, etc., are further processed into semiconductor components, not easily unified. The disks obtained by sawing such a crystal transversely to the longitudinal axis are very different in size, so that they first have to be brought to the same size in order to ensure the same electrical properties of the components made from them, which is usually through a special sawing or grinding process is achieved. This results on the one hand, quite apart from the necessary additional process step, a noticeable loss of valuable semiconductor material - cutting losses of up to 70 11 / o can occur - on the other hand, the crystal structure of the semiconductor is often caused by fine cracks and crevices, which up to one Depth of 10 li, destroyed, whereby a strong surface recombination occurs, so that these disks are no longer particularly suitable for the production of transistors.

Die bekannten, im allgemeinen für die Herstellung von einkristallinen Halbleiterstäben mit über die ganze Länge konstantem Querschnitt geeigneten Vorrichtungen machen die auf der Oberfläche der Schmelze auftretenden Temperaturschwankungen, die zu einer Verschlechteruno, der Kristallisationsverhältnisse und auf jeden Fall zu einem Stab mit unregelmäßigem Querschnitt und ungleichmäßiger Dicke führen würden, dadurch unschädlich, daß der gezogene stabförmi c Kristall während des Ziehvor-C 9 gangs in Rotation versetzt wird. Es werden Dreh-Z, Clesch,windigkeiten von 50 bis 5000 UpM angewendet.The known devices, generally suitable for the production of monocrystalline semiconductor rods with a constant cross-section over the entire length, make the temperature fluctuations occurring on the surface of the melt, which lead to a deterioration in the crystallization conditions and in any case to a rod with an irregular cross-section and uneven thickness would lead, characterized harmless that the solid stabförmi c crystal is set in rotation during the passage Ziehvor-C. 9 Turn-Z, Clesch, speeds of 50 to 5000 rpm are used.

Bei diesen mittels der bekannten Vorrichtungen hergestellten Kristallen werden jedoch bei kleinen Drehgeschwindigkeiten gleichmäßig sich wiederholende Dickenunterschiede am gezogenen Kristall beobachtet. Durch Erhöhung der Drehgeschwindigkeit allerdings tritt der gleichmäßige Wechsel in der Stabdicke so schnell ein, daß die Unterschiede fast unsichtbar werden oder wenigstens für die Weiterverarbeitung der Stäbe zu Scheiben und Halbleiterbauelementen nahezu unschädlich sind. Die hohe Drehgesch,windigkeit muß jedoch hierbei sehr gleichförmig sein; ihre Einstellung und Konstanthaltung erfordern äußerste Präzision und einen hohen apparativen Aufwand. Für die Herstellung relativ dicker Stäbe, etwa mit einem Durchmesser von 20 mm und darüber, können diese bekannten Vorrichtungen aber meist überhaupt nicht verwendet werden, weil hier die hohen Drehgeschwindigkeiten des gezogenen Kristalls dazu führen können, daß das geschmolzene Halbleitermaterial im Tiegel schließlich auf Grund der Reibungskräfte ebenfalls in Rotation gerät und dadurch der Zweck der Drehung des Stabes nicht mehr erreicht wird.In these crystals produced by means of the known devices However, evenly repeating differences in thickness occur at low rotational speeds observed on the pulled crystal. However, by increasing the rotational speed the uniform change in rod thickness occurs so quickly that the differences become almost invisible or at least for the further processing of the rods into discs and semiconductor components are almost harmless. The high speed of rotation must, however, be very uniform here; their attitude and keeping them constant require extreme precision and a high outlay in terms of equipment. For the production relatively thick rods, for example with a diameter of 20 mm and more, can do this known devices are usually not used at all, because here the high rotational speeds of the pulled crystal can lead to the finally melted semiconductor material in the crucible due to the frictional forces also starts rotating and thus the purpose of rotating the rod is no longer is achieved.

Bei der Vorrichtung gemäß vorliegenderErfindung wird die Gleichförmigkeit des Querschnitts über die ganze Länge des Stabes dadurch erreicht, daß die Temperaturverhältnisse des dem Kristallisationskeim angebotenen geschmolzenen Halbleiterinaterials besonders günstig eingestellt werden, wobei ein besonderes Merkmal der Erfindung darin besteht, daß der stabförmige Kristall ohne Drehen aus der Schmelze gezogen wird; außerdem wird dem Kristallisationskeim jeweils nur die für die Einhaltung des Querschnitts erforderliche Menge an geschmolzenem Halbleiterinaterial angeboten.In the apparatus of the present invention, the uniformity becomes of the cross section over the entire length of the rod achieved in that the temperature conditions of the molten semiconductor material offered to the seed crystal be set favorably, a special feature of the invention is that the rod-shaped crystal is pulled from the melt without rotating; aside from that the crystallization nucleus is only used for compliance with the cross-section required amount of molten semiconductor material offered.

Die Einstellung der dem Kristallisationskeim zur Verfügung stehenden Menge an geschmolzenem Halbleitennaterial erfolgt eben dadurch, daß der Keim nur durch eine auf der Schmelze schwimmende, in horizontaler Richtung fest fixierte Blende mit der Schmelze in Verbindung gebracht wird, wobei die Blende einen Querschnitt aufweist, wie er für den herzustellenden Stab gewünscht wird.The setting of the available to the seed crystal Amount of molten semiconductor material occurs precisely because the nucleus only by one floating on the melt and firmly fixed in the horizontal direction Diaphragm is brought into contact with the melt, the diaphragm having a cross section has as it is desired for the rod to be produced.

Die Blende wird zweckmäßigerweise aus einem vom geschmolzenen Halbleitermaterial nicht benetzbaren Material hergestellt, so kann für eine Germaniumschmelze beispielsweise eine Blende aus Graphit, Quarz, Aluminiumoxyd (AI"0,) oder Magnesiumoxyd (Moo) verwendet werden. Für Silicium ist z. B. eine Blende aus Quarz geeignet. Das Material für die Blende muß natürlich jeweils in einer Form verwendet werden, daß das spezifische Gewicht kleiner als das des geschmolzenen Halbleitermaterials ist.The screen is expediently made from a molten semiconductor material non-wettable material produced, so can for a germanium melt, for example a screen made of graphite, quartz, aluminum oxide (AI "0,) or magnesium oxide (Moo) is used will. For silicon, for. B. a diaphragm made of quartz is suitable. The material for the aperture must of course be in one form be used, that the specific gravity is smaller than that of the molten semiconductor material is.

Vorteilhaft ist es, wenn die Blende sich in Richtung des gezogenen Kristalls erweitert; dadurch kann das einkristalline Wachstum des am Keim ankristallisierenden Halbleitermaterials nicht beeinträchtigt werden.It is advantageous if the diaphragm is in the direction of the drawn Crystal expanded; as a result, the monocrystalline growth of the Semiconductor material are not affected.

Die Fixierung der Blende in horizontaler Richtung wird nach der Lehre der Erfindung durch im Boden des Schmelztiegels verankerte Führungsstäbe vorgenommen. Zweckmäßig bestehen die Führungsstäbe aus dem gleichen Material wie die Blende.The fixation of the panel in the horizontal direction is done according to the teaching of the invention made by anchored in the bottom of the crucible guide rods. The guide rods are expediently made of the same material as the panel.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gelingt es, in der Schmelze oder nahe an der Oberfläche der Schmelze senkrecht zur Ziehrichtung von der Mitte zur Randzone des Tiegels hin durch Verwendung des eine verminderte Heizleistung aufweisenden Heizers unterhalb der Tiegelbodenmitte einen Temperaturgradienten zu erzeugen, durch den sehr stabile Temperaturverhältnisse eingestellt werden. Dem Kristallisationskeim, der die Schmelze etwa im Mittelpunkt der Oberfläche der Schmelze berührt, wird beim Herausziehen aus der Schmelze im wesentlichen jeweils nur das Material zur Kristallbildung angeboten, das im kälteren, also mittleren Bereich der Schmelze liegt. Auf diese Weise wird ein über die Länge des Kristalls gesehen, gleichbleibender Querschnitt gewährleistet. Außerdem ist ein Einfrieren der Schmelze vom Rand her auf diese Weise so gut wie ausgeschlossen.The device according to the invention makes it possible in the melt or close to the surface of the melt perpendicular to the direction of draw from the center towards the edge zone of the crucible by using a reduced heating power having heater below the center of the crucible bottom to a temperature gradient generate, through which very stable temperature conditions are set. To the Crystallization nucleus, which the melt approximately in the center of the surface of the melt is touched, when pulling out of the melt essentially only that Material offered for crystal formation, the one in the colder, i.e. middle range the melt lies. In this way one is seen along the length of the crystal, constant cross-section guaranteed. In addition, there is a freezing of the melt from the edge in this way as good as excluded.

Dieser Temperaturgradient läßt sich beispielsweise auch dadurch erzeugen, daß bei einer Erhitzung des Schmelztiegels von unten zwischen Heizer und Tiegelbodenmitte eine Platte aus schlecht wärmeleitendem Material, beispielsweise aus Molybdän, angebracht wird. Mit besonderem Vorteil kann zu diesem Zweck auch ein gekühlter, etwa wassergekühlter, Körper verwendet werden. Als besonders zweckmäßig hat sich z. B. ein gekühlter Kupferblock erwiesen.This temperature gradient can also be generated, for example, by that when the crucible is heated from below between the heater and the center of the crucible bottom a plate made of poorly thermally conductive material, such as molybdenum, attached will. For this purpose, it is particularly advantageous to use a cooled, for example water-cooled, Body to be used. As a particularly useful z. B. a cooled copper block proven.

Im folgenden werden einige besonders günstige Ausführungsbeispiele an Hand von Figuren näher erläutert.Some particularly favorable exemplary embodiments are described below explained in more detail on the basis of figures.

In F i g. 1, einer schematischen Darstellung einer zweckmäßigen Vorrichtung zum Ziehen eines Halbleiterkristalls nach der Lehre der Erfindung, ist mit 1 ein Schmelztiegel bezeichnet, der im Beispiel aus Graphit besteht. Unter dem Schmelztiegel wird ein Heizer 5 angebracht, etwa ein mäanderförmig ausgebildeter Graphitheizer der mit Wechsel- oder Gleichstrom betrieben werden kann. Unter der Tiegelbodenmitte ist der Heizer zur Erzeugung des günstigen Temperaturgradienten dicker ausgebildet, als unter der Randzone des Tiegels. Die dicker ausgebildete Zone ist durch den Bereich 13 in der Figur angedeutet. Durch die Blende 2, die aus einem von dem geschmolzenen Halbleiterinaterial 4, beispielsweise Germanium, nicht benetzbaren Material wie etwa Graphit hergestellt wird und die durch die Führungsstäbe3 in der horizontalen Lage im Tiegel fixiert wird, erhält der Keimkrista118 immer nur eine bestimmte gleichbleibende Menge an geschmolzenem Halbleitermaterial angeboten. Er wird zu Beginn des Ziehprozesses in die Schmelze getaucht und so lange in der Schmelze belassen, bis sich zwischen Keim und Schmelze ein thermisches Gleichgewicht eingestellt hat. Dann zieht man ihm mit einer solchen Geschwindigkeit wieder aus der Schmelze heraus (die Ziehrichtung wird durch den Pfei19 symbolisiert), daß das ihm anhaftende Halbleitermaterial auskristallisiert. Dabei entsteht der Kristall7, dessen Querschnitt über die ganze Länge des Kristalls gesehen, ohne Drehen während des Herausziehens aus der Schmelze gleich ist. Es lassen sich Kristalle mit einem Durchmesser bis zu etwa 25mm herstellen. 6 stellt ein Abschirmblech nach außen dar; dadurch werden Einflüsse, die zu Temperaturschwankungen in der Schmelze führen würden, ferngehalten.In Fig. 1, a schematic representation of an expedient device for pulling a semiconductor crystal according to the teaching of the invention, 1 denotes a crucible which, in the example, consists of graphite. A heater 5 , for example a meandering graphite heater, which can be operated with alternating or direct current, is attached under the crucible. In order to generate the favorable temperature gradient, the heater is made thicker under the middle of the crucible bottom than under the edge zone of the crucible. The thicker formed zone is indicated by the area 13 in the figure. The diaphragm 2, which is made of a material such as graphite that cannot be wetted by the molten semiconductor material 4, for example germanium, and which is fixed in the crucible in the horizontal position by the guide rods 3, only ever receives a certain constant amount of molten material Semiconductor material offered. At the beginning of the drawing process, it is dipped into the melt and left in the melt until a thermal equilibrium has been established between the nucleus and the melt. Then it is pulled out of the melt again at such a speed (the direction of pulling is symbolized by the arrow) that the semiconductor material adhering to it crystallizes out. This creates the crystal7, the cross-section of which is the same over the entire length of the crystal, without turning while it is being pulled out of the melt. Crystals with a diameter of up to about 25mm can be produced. 6 shows a shielding plate to the outside; in this way, influences that would lead to temperature fluctuations in the melt are kept away.

F i g. 2 stellt eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung dar. Mit 1 ist wieder der Schmelztiegel bezeichnet, der durch den unter dem Tiegel befindlichen Heizer5 erhitzt wird. Zwischen Heizer und Tiegelbodenmitte wird eine wassergekühlte Kupferschlange 10 angeordnet. 11 ist der Wasserzufluß, 12 die Ableitung. Dadurch wird in der Schmelze von der Mitte zur Randzone hin ein Temperaturgradient erzeugt. Die Temperatur im mittleren Bereich der Schmelze liegt etwa bei 3 bis 5c C über der Schmelztemperatur des je- weiligen Halbleitermaterials, während in der Randzone die Temperatur etwa 10 bis 15' C über der Schmelztemperatur gehalten wird. Dadurch ergeben sich besonders günstige Kristallisationsverhältnisse, die einen, über die ganze Länge des stabförmigen Kristalls gesehen, gleichbleibenden Querschnitt des herzustellenden stabförmigen Einkristalls gewährleisten. Die übrigen Bezugszeichen entsprechen denjenigen von F i g. 1. F i g. Figure 2 shows another embodiment of a device according to the invention. Reference number 1 again denotes the crucible which is heated by the heater 5 located under the crucible. A water-cooled copper coil 10 is arranged between the heater and the center of the crucible bottom. 11 is the inflow of water, 12 is the discharge. This creates a temperature gradient in the melt from the center to the edge zone. The temperature in the central area of the melt is approximately 3 to 5 ° C. above the melting temperature of the respective semiconductor material, while in the edge zone the temperature is kept approximately 10 to 15 ° C. above the melting temperature. This results in particularly favorable crystallization conditions which, as seen over the entire length of the rod-shaped crystal, ensure a constant cross-section of the rod-shaped single crystal to be produced. The remaining reference symbols correspond to those of FIG. 1.

F i g. 3 zeigt in Draufsicht ein Heizelement 5, das sich besonders gut für die Einstellung des Temperaturgradienten gemäß einem Merkmal der Erfindung eignet. Der Heizer ist als Graphitplatte ausgebildet, die derart mit Einschnitten versehen ist, daß er mäanderförmig erscheint. Der mittlere Teil des mäanderförmigen Widerstandsheizers ist dicker ausgebildet als die äußeren Teile, so daß in der Mitte seine Heizleistung geringer ist.F i g. 3 shows a plan view of a heating element 5 which is particularly well suited for setting the temperature gradient according to a feature of the invention. The heater is designed as a graphite plate which is provided with incisions in such a way that it appears meander-shaped. The middle part of the meandering resistance heater is made thicker than the outer parts, so that its heating power is lower in the middle.

Claims

Claims: 1. Device for pulling a semiconductor crystal from a melt with a crucible for the melt and a resistance heater arranged below the crucible bottom, d a - characterized in that the heater has a reduced heating power below the crucible bottom center or a shield is arranged between the heater and the crucible bottom center is.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the heater is designed in a meander shape. 3. Device according to claims 1 and 2, characterized in that on the part of the surface of the melt which is opposite the center of the crucible bottom, a diaphragm floating on the melt is arranged, which has an inner cross-section corresponding to the crystal to be produced and is immovable in the horizontal direction is. 4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the diaphragm is fixed in the horizontal direction by guide rods anchored in the bottom of the crucible.