DE1769860A1

DE1769860A1 - Device for pulling dislocation-free semiconductor single crystal rods

Info

Publication number: DE1769860A1
Application number: DE19681769860
Authority: DE
Inventors: Max-Hugo Kellerbauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1968-07-26
Filing date: 1968-07-26
Publication date: 1971-11-11
Also published as: DK123696B; FR2013820A1; GB1222465A

Description

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Torrichtung zum Ziehen von vereetzungsfreien Halbleiter- Gate direction for pulling corrosion-free semiconductor

einkristallstttbenmonocrystalline

Di· Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ziehen ron vereetzungsfreien Halbleitereinkristallstäben nach der Czochralskymethode mit einem das Schneizgnt aufnehmenden, durch einen widerstandsbeheizten Strahlungsofen aufheizbaren Schmelztiegel.The invention relates to a device for pulling on non-wedges Semiconductor single crystal rods according to the Czochralsky method with one who receives the Schneizgnt, through one resistance heated radiant furnace heatable crucible.

Tn der Halbleitertechnik gewinnt die Herstellung ron Planarbauelementen immer mehr Bedeutung. Dazu ist es notwendig, daß dünne Halbleiterschiehten aus Germanium oder Silicium durch epitakt!sehe Aufwachsprozesse hergestellt werden. Zur Herstel-Tn semiconductor technology manufacturing ron Planarbauelementen is becoming increasingly important. For this it is necessary that thin semiconductor layers made of germanium or silicon are produced by epitactic growth processes. To manufacture

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lung dieser epitaktisehen Schichten werden SubetrmtkSrper rerwendet, die sich durch eine definierte elektrische Leitfähigkeit und höh· Kristallperfektion auszeichnen. Diese Substratkristalle lassen sich an besten durch Ziehen aus der Schneise herstellen.In these epitaxial layers, sub-bodies are used, which is characterized by a defined electrical conductivity and high Distinguish crystal perfection. These substrate crystals can best be produced by pulling them out of the aisle.

Für das störungsfreie Aufwachsen βυΐtaktischer Schichten ist also innerlichst ungestörtes Substratmaterial erwünscht. Die Ver set Bungedichten sollen möglichst niedrig sein. Thermische Yerepannungen sind die Hauptursach· für die Entstehung dieser Yersetsungen. Es 1st also beim Ziehen dieser Kristalle τοη großer Wichtigkeit, daß einmal die Wärmemenge, die über die Phaaengrenxe in den W Kristall gelangt, und andererseits die freiwerdende Brstarrungswärme gut abgeführt werden. Außerdem muß die Abkühlung des Kristalle so Tor sich gehen, daß keine wesentlichen Vorspannungen la Kristall selbst auftreten können.For the undisturbed growth of tactical layers, an intrinsically undisturbed substrate material is desired. The ver set bung densities should be as low as possible. Thermal stresses are the main cause of the formation of these erosions. It is therefore of great importance when pulling these crystals that, on the one hand, the amount of heat that reaches the W crystal via the phase limits and, on the other hand, the heat of solidification that is released are well dissipated. In addition, the cooling of the crystal must go so well that no significant biases la crystal itself can occur.

Ziel der rorllegenden Erfindung ist, die die Temperaturrerhältnlsse in der Schneise und im Kristall beeinflussenden Apparatekonstanten so aufeinander abaustimmen, daß keine wesentlichen Yerspannungen auftreten und dadurch die VersetxungsAlchte im gezogenen Kristall möglichst niedrig gehalten werden kann. Ss muß dafür gesorgt werden, daß während das Kristallslehnroseseeβ •in· Torwiegend axial nach oben durch das Yolueen des Kristalls fc gerichteter Wärmeflui erzielt wird.The aim of the basic invention is to coordinate the temperature maintenance in the aisle and in the crystal influencing apparatus constants so that no essential Tensions occur and thereby the misalignment in the pulled crystal can be kept as low as possible. Ss it must be ensured that during the Kristallslehnroseseeβ • in · Tor mainly axially upwards through the Yolueen of the crystal fc directed heat flow is achieved.

Dies wird nach der Lehre der Erfindung durch eine Krlstallaleh-Torrlchtung erreicht, die dadurch gekennzeichnet 1st, dal ein ■it einem Strahlungsechuteeylinder umgebener, topffirmiger Strahlungsofen angeordnet 1st, der die Tiegelwandungen allseitig umeohlieft, dal am oberen Rand des Schmelztiegelβ eine ringförmig·, dem Innendurchmesser des Tiegels unt den !uferen Abmessungen der Strahlungstohutisyllnder angepalte. In der Höh· kontinuierlich rersehiebbare Blende angebracht lat und daß eine Kelmhalt«rung rerwendet 1st, die mit einer gekühlten Ziehw·!!· gekoppelt 1st.According to the teaching of the invention, this is achieved by a Krlstallaleh Torrlchtung, which is characterized by a ■ Pot-shaped, surrounded by a radiation chute cylinder Radiation furnace is arranged, which surrounds the crucible walls on all sides, so that one at the upper edge of the crucible ring-shaped, adapted to the inner diameter of the crucible under the outer dimensions of the radiation hats. In the Higher continuously rerehiebbaren screen attached lat and that a Kelmhalterung is used, that with a cooled one Ziehw · !! · coupled 1st.

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In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, zur Erzielung einer geringen Wärmekapazität einen glockenförmigen, relativ dünnwandigen Tiegel aus Graphit zu verwenden, in dem ein dünnwandiger Tiegel aus Quarz eingesetzt wird, der das Schmclzgut enthält. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn sich die Dicke der Tiegelwandung des Graphittiegels am oberen Rand zu der Dicke am Boden wie 1:3 verhält.In a further development of the concept of the invention it is provided to achieve a low heat capacity a bell-shaped, To use relatively thin-walled crucible made of graphite, in which a thin-walled crucible made of quartz is used, the the Schmclzgut contains. It has proven to be useful if the thickness of the crucible wall of the graphite crucible at the top is related to the thickness at the bottom as 1: 3.

Gemäß einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel besteht der topfförroige Strahlungsofen aus Graphit und ist in der üblichen T/cisc mit Schlitzen versehen, so da3 ein iaäanderförmigcr Stromverlauf resultiert, der insbesondere in den Bodenlammellen eine größere Heizleistung bewirkt. J]s kann aber auch eine solche Anordnung gewählt werden, bei derder widerst and sbeheizte Strahlungsofen aus zwei Teilen, nämlich einem i zylindrischen Teil und einem flachen Bodenteil, besteht,die ebenfalls in der entsprechenden W_eise geschlitzt sind.According to a particularly favorable embodiment, the pot-shaped radiant furnace is made of graphite and is provided with slits in the usual T / cisc, so that an alternating current course results, which causes a greater heating output, especially in the floor lamellas. J] s but may also be chosen such an arrangement, whereinthe resistors and sbeheizte radiant oven of two parts, namely a cylindrical part i and a flat bottom part, is that also are slotted in the corresponding W _e ise.

Für die beiden Teile des Strahlungsofens können getrennt regelbare Wärmequellen verwendet werden.For the two parts of the radiant furnace can be regulated separately Sources of heat are used.

In einer Weiterbildung des Hrfindungsgednnkens wird eine ringförmige Blende aus Molybdän verwendet. Sie Blende kann auch aus zwei Hälften bestehen, die in einer Ubene voneinand.der entfernbar sind. Durch die ringförmige Blende, deren Innendurchmesser nur Y/enig kleiner als der des Schmelztiegels ist und deren Außendurchmesser den Abmessungen der um den Strahlungsofen angeordneten Strahlungsschutzzylinder entspricht, ' wird erreicht, daß die Viand des Schmelztiegels so heiß gehalten v/ird, daß kein Niederschlag von SiO bei Verwendung von Silicium al3 Halbleitermaterial am Tiegel entsteht.In a further development of the thinking of the invention, a ring-shaped Molybdenum diaphragm used. The cover can also consist of two halves that are in one plane from one another are removable. Due to the ring-shaped aperture, the inner diameter of which is only Y / slightly smaller than that of the crucible and their outer diameter corresponds to the dimensions of the radiant furnace arranged radiation protection cylinder corresponds, 'it is achieved that the Viand of the crucible is kept so hot v / ird that no precipitation of SiO when using silicon al3 semiconductor material is created on the crucible.

Me Wärmeabfuhr in axialer Richtung wird über eine Keimhalterung erreicht, die guten thermischen Kontakt einerseits zum Kristall, andererseits zu einer wassergekühlten Ziehwelle hat, deren Durchmesser zweckmäßigerweise dem Durchmesser des zu ziehenden Kristalls angepaßt ist. Die Wärmeableitung wird unterstützt, wenn die Kupplung der Keimhalterung konusförinig ausgebildet ist.Me heat dissipation in the axial direction is via a germ holder achieved, which has good thermal contact on the one hand to the crystal and on the other hand to a water-cooled drawing shaft, whose diameter expediently corresponds to the diameter of the to pulling crystal is adapted. The heat dissipation is supported if the coupling of the germ holder is conical is trained.

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Durch die der Erfindung zugrundeliegenden Vorrichtung gelingt es, in rationeller Weise auch ohne großen Aufwand praktisch versetzungöfreie Einkristalle mit einem Durchmesser von mehr als 30 mm in guter Ausbeute herzustellen.The device on which the invention is based makes it possible to in a rational manner, practically displacements-free, even without great effort Produce single crystals with a diameter of more than 30 mm in good yield.

Anhand der Figuren 1 und 2, in welcher eine Vorrichtung zum Ziehen eines Halbleiterkristails entsprechend der Lehre der Erfindung dargestellt ist, sollen weitere Einzelheiten noch näher erläutert v/erden.With reference to Figures 1 and 2, in which a device for pulling a semiconductor crystal according to the teaching of Invention is shown, further details are to be explained in more detail v / earth.

Pig.1: In einem glockenförmigen Tiegel 1 aus Graphit, welcher an seinem oberen Rand eine Wandstärke von ca. 3 mm und an seinem unteren Ende eine Bodenstärke von ca. 10 mm aufweist, befindet sich in einem Quarztiegel 2 eine mit der entsprechenden Dotierung versehene Siliciumschmelze 3· Der zur Erzielung einer geringen Wärmekapazität relativ dünnwandig ausgebildete Graphittiegel 1 wird durch einen topfförmigen Strahlungsofen aus Graphit umgeben, welcher dafür sorgt, daß die Schmelze 3 nicht nur von der Seite, sondern überwiegend von unten erhitzt wird.Pig.1: In a bell-shaped crucible 1 made of graphite, which has a wall thickness of approx. 3 mm at its upper edge and a floor thickness of approx. 10 mm at its lower end, a silicon melt provided with the appropriate doping is located in a quartz crucible 2 A relatively thin-walled graphite crucible 1 with a low heat capacity is made by a pot-shaped radiant furnace surrounded by graphite, which ensures that the melt 3 is heated not only from the side, but predominantly from below will.

Da der den Quarztiegol 2 enthaltende Tiegel 1 mit dem Schmelzgut 3 nahe dem oberen Rand des Strahlungsofens 4 stehen muß, um den gewünschten Wärßmefluß zu erzielen, ist es notwendig, die \7and des Quarztiegols 2 so heiß zu halten, daß ein unerwünschter Niederschlag von SiO am oberen Tiegelrand vermieden wird. Hierzu dient eine ringförmige Blende 5 aus Molybdän, deren Innendurchmesser nur wenig kleiner als der des Quarztiegels 2 ist. Ihr Außehdurchmesser entspricht dem um den Strahlungsofen 4 angeordneten Strahlungsschutzzylindern 6 und 7 aus Molybdän. Die ringförmige Blende 5 ist in der Höhe kontinuierlich verstellbar, was in der Zeichnung durch den Doppelpfeil 8 angedeutet werden soll. Während des Schmolzvorgangs ist der Tiegel mit einem wegschwenkbaren Molybdändeckel abgedeckt (in der Zeichnung nicht dargestellt). Bei Beginn des Ziehprozesses sitzt die Blunde 5 den Strahlungszylindern und 7 dicht auf und verhindert nach Entfernung des DeckelsSince the crucible 1 containing the quartz crucible 2 with the melting material 3 must stand near the upper edge of the radiant furnace 4 in order to achieve the desired heat flow, it is necessary to to keep the \ 7and of the quartz crucible 2 so hot that an undesirable Precipitation of SiO on the upper edge of the crucible is avoided. An annular diaphragm 5 made of molybdenum is used for this purpose, the inside diameter of which is only slightly smaller than that of the quartz crucible 2. Their external diameter corresponds to that around the Radiation furnace 4 arranged radiation protection cylinders 6 and 7 made of molybdenum. The annular diaphragm 5 is in height continuously adjustable, which is to be indicated in the drawing by the double arrow 8. During the melting process the crucible is covered with a swiveling molybdenum lid (not shown in the drawing). At the beginning During the drawing process, the blanket 5 sits on the radiation cylinders and 7 tightly and prevented after removing the cover

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den Ansatz von SiO am Tiegel 2, Bei absinkendem Niveau der Schmelze.; 3 mit zunehmender Kristallänge "besteht die. Gefahr der Sublimatbildung nicht mehr; statt dessen erhöht sich die Abstrahlung von den Tiegelwänden auf den gezogenen Kristall 9» wodurch die Wärmeabfuhr"»- trotz Tiegelnachschub - erschwert wird, Nach der lehre der Erfindung wird deshalb die Blende in Kombination mit dem Tiegelnachschub nach oben bewegt, so daß die Rückstrahlung auf die Tiegelwände verringert wird.the approach of SiO at crucible 2, when the level of the Melt.; 3 with increasing crystal length "there is a risk of No more sublimate formation; instead, the radiation increases from the crucible walls to the drawn crystal 9 "which makes the heat dissipation" difficult - despite the crucible replenishment is, According to the teaching of the invention, the shutter is therefore moved upwards in combination with the crucible replenishment, so that the reflection on the crucible walls is reduced.

Die Wärmeabfuhr in axialer Sichtung erfolgt über eine drehbar (Pfeil 15) ausgebildete Keimhaiterung 10, die guten, thermischen Kontakt einerseits zum Kristall 9, andererseits·zu der mit lTasser gekühlten Ziehwolle 11 hat. Die !»feile 12 zeigen die · y/asaerströmungsriehtung an. Der Durchmesser der Ziehwelle 11 wird dem Durchmesser des zu ziehendem Kristalls 9 angepaßt. Die Wärmeableitung in axialer Richtung wird dadurch verbessert, daß eine Überwurfmutter 13 großer Masse.weit-über die gekühlte Ziehweile 11 hinaufgreift.The heat is dissipated in the axial direction via a rotatable (Arrow 15) trained germ retention 10, the good, thermal Contact on the one hand to the crystal 9, on the other hand to the with ltasser chilled drawing wool 11 has. Die! »Files 12 show the · y / asaerströmungsrihtung on. The diameter of the pulling shaft 11 is adapted to the diameter of the crystal 9 to be drawn. The heat dissipation in the axial direction is improved by that a union nut 13 large Masse.weit-over the cooled Pull up 11.

Als Keimkristalle 14 werden versetzungsfreie Kristalle von mehr als 10 mm 0 verwendet, die es erlauben, auf den üblichen "Hals" beim Ziehen zu verzichten, so daß keine zusätzliche Wärmebremse entsteht. As seed crystals 14 dislocation-free crystals of more than 10 mm 0 are used which make it possible to dispense with the usual "neck" while dragging, so that no additional heat is produced brake.

Pig. 2 zeigt in Draufsicht, unter Yfeglassung sämtlicher in ι Pig. 1 btBciiriDbenen Teile den topfförmigen Tiegel 4· ■ Pig. 2 shows in plan view, with the omission of all in Pig. 1 btBciiriDeven parts of the pot-shaped crucible 4 · ■

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Pio Binstollung der bolm Kriatallzifhen sonst noch üblichen ..Parameter «to Ziehge8oHwindigkeit»ROtötion, Tiegelnachöchub und Schutzgjasatmoophäre erfolgt wie!bei bekannten Verfahren.Pio Binstollung the Bolm Kriatallzifhen otherwise usual ..Parameters "to drawing speed" redotion, crucible re-opening and protective gas atmosphere takes place as with known methods.

14 Patentanpprucho
t figur 14 patent claims
t figure

109846/1735 " ⁶ ~109846/1735 " ⁶ ~

BAD ORiGIMALBAD ORiGIMAL

Claims

1. Device for pulling dislocation-free semiconducting cine crystal rods according to the Czochralskymothode with one that receives the melting material and one that is resistance-heated Radiant furnace heatable melting crucible, characterized in that a cylinder surrounded by a radiation protection cup-shaped radiation furnace is arranged, which encloses the Tiogolwandungen on all sides that at the top the crucible has an annular shape, the inner diameter of the crucible and the outer dimensions of the radiation protection cylinder adapted, continuously adjustable in height aperture is attached and that a germ holder is used, which is coupled to a cooled drawing shaft.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that a bell-shaped, relatively thin-walled crucible made of graphite is used, in which a thin-walled crucible made of quartz is used, which contains the melting material.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the Thickness of the crucible wall of the graphite crucible at the top to the thickness at the bottom is about 1: 3.

4. Device according to at least one of claims T to 3, characterized in that a radiation furnace made of graphite

. is used. _s ΐ

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5. Device according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that da0 is provided with slots

. Radiant furnace -.-. Is used, so that a meandering The current flow results in particular in the two lamellas a greater heating output bevdrkt. ; ■;

6. Device according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the resistance-heated radiation

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8AD ORIGINAL

oven consists of a cylindrical part and a flat bottom part consists.

7. Device according to at least one of claims 1 "to 6, characterized in that both the cylindrical part and the flat bottom part have corresponding slots is provided.

8. Device according to at least one of claims I to 7, characterized in that separately controllable heat sources are provided for the two parts of the radiant furnace are.

9. The device according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that an annular ring-shaped one made of molybdenum Aperture is used.

10. The device according to at least one of claims 1 to 9, characterized in that the diaphragm consists of two halves which can be removed from one another in one plane.

11. Device according to at least one of claims 1 to 10, characterized in that a drawing shaft provided with water cooling is used.

12. The device according to at least one of claims 1 to 11, characterized in that the diameter of the Ziehwclle the Is adapted to the diameter of the crystal to be pulled.

13. Device according to at least one of claims 1 to 12, characterized in that between germ holder and pull shaft to achieve a maximum 'heat transfer a. * ■ Cone coupling is used, which brings the crystal in connection with a relatively large cooled mass.

H. Device according to at least one of Claims 1 to 13

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characterized by the use of anti-corrosion agents Crystals with a diameter greater than 10 mm as seed crystals.

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