DE19902302A1

DE19902302A1 - Production of semiconductor single crystals in Czochralski apparatus comprises subjecting melt to ultrasound through recess in crucible base during crystal growing

Info

Publication number: DE19902302A1
Application number: DE19902302A
Authority: DE
Inventors: Gennadiy Nikolaevi Kozhemyakin
Original assignee: SYNTHESECHEMIE GmbH
Current assignee: SYNTHESECHEMIE GmbH
Priority date: 1999-01-21
Filing date: 1999-01-21
Publication date: 2000-07-27

Abstract

Production of single crystals in a Czochralski apparatus comprises subjecting the melt to ultrasound through a recess in the crucible base during crystal growing.

Description

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben zur Herstellung von Einkristallen unter Anwendung von Ultraschall. Damit wird eine regelmäßige streifenfreie Produktion ermöglicht.A method and a device for producing single crystals are described using ultrasound. This will ensure regular streak-free production enables.

Untersuchungen zu Inhomogenitäten in nach dem Czochralski-Verfahren hergestellten Halbleiter-Einkristallen wurden bereits in Arbeiten von Morizane u. a. in J. Electrochem. Soc. 115 (1968) 738 und in früheren Arbeiten des gleichen Autors beschrieben. Auch der Einfluß von Ultraschall auf das Wachstum und die Struktur von Indium-Antimon-Einkristallen wurde bereits von Hayakawa u. a. in Crystal Res. Technol. 20 (1985) 3 und in früheren Arbeiten des gleichen Autors beschrieben. Von Tsuruta u. a. wurde bereits in Jap. J. Appl. Phys. 31 (1992) 23 und früheren Arbeiten des gleichen Autors die Herstellung von Indium- Gallium-Antimon-Einkristallen in einer Czochralski Apparatur unter Anwendung von Ultraschall beschrieben.Investigations of inhomogeneities in the Czochralski process Semiconductor single crystals have already been described in works by Morizane et al. a. in J. Electrochem. Soc. 115 (1968) 738 and described in previous work by the same author. The influence too from ultrasound to the growth and structure of indium antimony single crystals has already been developed by Hayakawa u. a. in Crystal Res. Technol. 20 (1985) 3 and earlier Works by the same author described. From Tsuruta u. a. was already in Jap. J. Appl. Phys. 31 (1992) 23 and previous work by the same author the manufacture of indium Gallium antimony single crystals in a Czochralski apparatus using Ultrasound described.

Ziel der vorliegenden Erfindung war die Verbesserung der Homogenität der entstehenden Einkristalle durch eine spezielle Ausführung der Herstellvorrichtung zum Eintrag von Ultraschallenergie in die Schmelze und die Bereitstellung der erforderlichen Herstellbedingungen. Dieses Ziel wurde dadurch erreicht, daß der Eintrag der Ultraschallenergie durch den Boden des Schmelztiegels in einer Czochralski-Apparatur erfolgt, wobei ein wesentlicher Teil der Erfindung die Methode des Eintrages von Ultraschallenergie durch die besondere Geometrie des Schmelztiegelbodens darstellt.The aim of the present invention was to improve the homogeneity of the resulting Single crystals through a special design of the manufacturing device for the entry of Ultrasonic energy in the melt and providing the necessary Manufacturing conditions. This goal was achieved in that the entry of the Ultrasonic energy through the bottom of the crucible in a Czochralski apparatus takes place, an essential part of the invention, the method of entry of Represents ultrasonic energy due to the special geometry of the crucible bottom.

Wesentlich für die homogene, streifenfreie Kristallbildung ist erfindungsgemäß die Ausbildung einer Wölbung im Schmelztiegelboden. Die prinzipielle Darstellung der gesamten Anordnung in einer Czochralski-Apparatur ist anhand Fig. 1 erläutert. Der Ultraschallüberträger (4) ist an seinem unteren Ende mit einem Ultraschallerzeuger verbunden. Im Schmelztiegel (1) befindet sich die geschmolzene polykristalline Masse (2). Gegebenenfalls (siehe Beispiele) befindet sich auf der Oberfläche eine Schicht aus Boroxid. Der entstehende Einkristall (3) besitzt an seinem oberen Ende den anfänglich in die Schmelze eingetauchten Rest des Impfkristalls.According to the invention, the formation of a curvature in the crucible bottom is essential for the homogeneous, streak-free crystal formation. The basic representation of the entire arrangement in a Czochralski apparatus is explained with reference to FIG. 1. The lower end of the ultrasound transmitter ( 4 ) is connected to an ultrasound generator. The melted polycrystalline mass ( 2 ) is in the crucible ( 1 ). If necessary (see examples) there is a layer of boron oxide on the surface. The resulting single crystal ( 3 ) has at its upper end the rest of the seed crystal initially immersed in the melt.

Von wesentlicher Bedeutung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung optimaler Einkristalle ist die Beachtung der in Fig. 2 dargestellten geometrischen Parameter. h 1 bedeutet dabei die Höhe des Schmelztiegels, h 2 die Höhe der in den Schmelztiegelboden ragenden Einbuchtung des Bodens. h 2 kann aber ebenso die Höhe eines durch den Schmelztiegelboden ragenden Ultraschallübermittlers sein, welcher durch ein Loch im Schmelztiegelboden ragt. d 1 bezeichnet den Durchmesser des sich bildenden Einkristalls, d 2 bezeichnet den Durchmesser der Einbuchtung im Schmelztiegelboden, bzw. den Durchmesser des in den Tiegel ragenden Ultraschallübermittlers.It is essential to carry out the method according to the invention for producing optimal single crystals that the geometric parameters shown in FIG. 2 are observed. h 1 means the height of the crucible, h 2 the height of the indentation of the base protruding into the crucible bottom. h 2 can also be the height of an ultrasound transmitter projecting through the crucible bottom, which projects through a hole in the crucible bottom. d 1 denotes the diameter of the single crystal that forms, d 2 denotes the diameter of the indentation in the crucible bottom, or the diameter of the ultrasound transmitter projecting into the crucible.

Sofern es sich um einen erfindungsgemäß mit einer Einbuchtung versehenen Schmelztiegelboden handelt, kann die Kontaktierung zwischen Schmelztiegelboden und dem darunter befindlichen Ultraschallüberträger zur Übertragung der Ultraschallenergie durch z. B. Füllen der Kontaktfläche mit Gallium optimiert werden. Der Ultraschallüberträger besteht je nach Anforderung aus Quarz oder Graphit, wobei Graphit wegen seines wesentlich höheren Verlustfaktors nur verwendet wird, wenn die erforderliche Prozeßtemperatur den Einsatz von Quarz nicht zuläßt.If it is an indentation provided according to the invention Crucible bottom acts, the contact between the crucible bottom and the underneath located ultrasound transmitter for the transmission of ultrasound energy by z. B. Filling the contact area with gallium can be optimized. The ultrasound transmitter exists made of quartz or graphite, graphite due to its significantly higher Dissipation factor is only used when the required process temperature Quartz not allowed.

Wesentlich zum Erreichen streifenfreier Einkristalle ist dabei, daß das Verhältnis d 2/d 1 im optimalen Fall zwischen 1,0 und 1,25 beträgt. Das Verhältnis h 2/h 1 beträgt idealerweise zwischen 1/300 bis 100/300. Bei einer Tiegelhöhe von 300 mm beträgt die minimale Höhe für h 2 günstigerweise ca. 1 mm, die maximale Höhe ca. 90-100 mm, ein Optimum scheint bei ca. 4-5 mm zu liegen. It is essential to achieve streak-free single crystals that the ratio d 2 / d 1 in optimal case is between 1.0 and 1.25. The ratio h 2 / h 1 is ideally between 1/300 to 100/300. With a crucible height of 300 mm, the minimum height is for h 2 conveniently about 1 mm, the maximum height about 90-100 mm, an optimum seems to be around 4-5 mm.

Der Schmelztiegel besteht je nach Anforderung aus Quarz oder Graphit oder aus einem Verbund aus innenliegender Quarzschicht und aussenliegender Graphitschicht.Depending on the requirements, the crucible consists of quartz or graphite or one Composite of inner quartz layer and outer graphite layer.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar für die Herstellung von Einkristallen aus jeweils einer oder mehreren Komponenten, wie z. B. Galliumarsenid, Wismut-Antimon, Indium-Antimon, Silizium-Germanium oder Silizium. Einsetzbar sind dabei günstigerweise Frequenzen zwischen 10 kHz und 5 Mhz und eine Leistung von bevorzugt 10-30 Watt und eine Amplitude von 0,5 µm.The method according to the invention can be used for the production of single crystals one or more components, such as. B. gallium arsenide, bismuth antimony, Indium antimony, silicon germanium or silicon. It can be used favorably Frequencies between 10 kHz and 5 MHz and a power of preferably 10-30 watts and an amplitude of 0.5 µm.

Examples example 1 Gallium arsenide

Galliumarsenid-Einkristalle mit einem Durchmesser von 100 mm werden aus 5 kg Schmelze polykristallinen Materials gezogen. Das verwendete polykristalline Material wird aus Gallium und Arsen jeweils mit einer Reinheit von 99, 999% unter Argon-Atmosphäre bei einem Druck von 40 Bar hergestellt.Gallium arsenide single crystals with a diameter of 100 mm become 5 kg Melted polycrystalline material. The polycrystalline material used is made of gallium and arsenic, each with a purity of 99.999% under an argon atmosphere manufactured at a pressure of 40 bar.

5 kg der Galliumarsenid-Polykristalle werden in einen Quarz-Schmelztiegel mit einem Durchmesser von 150 mm gegeben. Dazu werden 150 g Boroxid gegeben. Ein Impfkristall aus Galliumarsenid wird in einer Czochralski Apparatur fixiert. Nach Evakuieren der Apparatur wird hochreines Argon mit einem Druck von 2 bar aufgegeben. Der Schmelztiegel wird auf eine Temperatur von 1350°C aufgeheizt und eine Rotation von 18 Umdrehungen/ Minute eingestellt. Nach 1 Stunde läßt man die Schmelze abkühlen bis auf der Oberfläche der Schmelze Kristallisation eintritt. Der Impfkristall wird dann 1 bis 2 mm in die Schmelze eingetaucht und eine Rotation von 5 Umdrehungen/Minute eingestellt. Der Impfprozeß dauert 40-50 Minuten. Die Kristallziehgeschwindigkeit beträgt 10 mm/Stunde. Beim Zuschalten von Ultraschall mit Frequenzen von 0,1 bis 5 Mhz bildet sich aus der Schmelze bei der bis zur Kristallisierung abgesenkten Temperatur ein Galliumarsenid Einkristall ohne Streifenbildung mit einem Durchmesser von 100 mm.5 kg of the gallium arsenide polycrystals are placed in a quartz crucible with a Given diameter of 150 mm. 150 g of boron oxide are added. A seed crystal Gallium arsenide is fixed in a Czochralski device. After evacuating the High purity argon is introduced at a pressure of 2 bar. The melting pot is heated to a temperature of 1350 ° C and a rotation of 18 revolutions / Minute set. After 1 hour, the melt is allowed to cool to the surface the melt crystallizes. The seed crystal is then melted 1 to 2 mm immersed and set a rotation of 5 revolutions / minute. The vaccination process takes 40-50 minutes. The crystal pulling rate is 10 mm / hour. At the Switching on ultrasound with frequencies from 0.1 to 5 MHz is formed from the melt a gallium arsenide single crystal without the reduced temperature until crystallization Banding with a diameter of 100 mm.

Example 2 Germanium silicon

Germanium-Silizium-Einkristalle mit einem Durchmesser von 100 mm werden aus 3 kg Schmelze polykristallinen Materials gezogen. Das verwendete polykristalline Material wird aus Germanium und Silizium jeweils mit einer Reinheit von 99, 999% in der Czrochalski - Apparatur im Vakuum hergestellt.Germanium-silicon single crystals with a diameter of 100 mm become 3 kg Melted polycrystalline material. The polycrystalline material used is made of germanium and silicon each with a purity of 99.999% in the Czrochalski - Equipment manufactured in a vacuum.

3 kg der Germanium-Silizium-Polykristalle mit einem Siliziumgehalt von 5% werden in einen Quarz-Schmelztiegel mit einem Durchmesser von 90 mm gegeben. Ein Impfkristall aus Germanium-Silizium wird in der Czochralski-Apparatur fixiert. Nach Evakuieren der Apparatur wird der Schmelztiegel auf eine Temperatur von 1050°C aufgeheizt und eine Rotation von 5 Umdrehungen/Minute eingestellt. Nach 1 Stunde läßt man die Schmelze abkühlen bis auf der Oberfläche der Schmelze Kristallisation eintritt. Der Impfkristall wird dann 1 bis 2 mm in die Schmelze eingetaucht und eine Rotation von 15 Umdrehungen/ Minute eingestellt. Der Impfprozeß dauert 60 Minuten. Die Kristallziehgeschwindigkeit beträgt 6 mm/Stunde. Beim Zuschalten von Ultraschall mit Frequenzen von 0,1 bis 5 Mhz bildet sich aus der Schmelze bei der bis zur Kristallisierung abgesenkten Temperatur ein Germanium-Silizium-Einkristall ohne Streifenbildung. 3 kg of the germanium silicon polycrystals with a silicon content of 5% are in given a quartz crucible with a diameter of 90 mm. A seed crystal made of germanium silicon is fixed in the Czochralski apparatus. After evacuating the The crucible is heated to a temperature of 1050 ° C. and an apparatus Rotation set at 5 revolutions / minute. The melt is left after 1 hour cool until crystallization occurs on the surface of the melt. The seed crystal will then immersed 1 to 2 mm in the melt and a rotation of 15 revolutions / Minute set. The vaccination process takes 60 minutes. The crystal pulling speed is 6 mm / hour. When switching on ultrasound with frequencies from 0.1 to 5 MHz forms from the melt at the temperature which has been reduced until crystallization Germanium-silicon single crystal without streaking.

Example 3 Bismuth antimony

Wismut-Antimon-Einkristalle mit einem Durchmesser von 25 mm werden aus 1,7 kg Schmelze polykristallinen Materials gezogen. Das verwendete polykristalline Material wird aus Wismut und Silizium jeweils mit einer Reinheit von 99,9999% in der Czrochalski- Apparatur in einer Atmosphäre hochreinen Argons bei einem Druck von 0,4 bar hergestellt.Bismuth-antimony single crystals with a diameter of 25 mm become 1.7 kg Melted polycrystalline material. The polycrystalline material used is made of bismuth and silicon, each with a purity of 99.9999% in the Czrochalski Equipment manufactured in an atmosphere of high purity argon at a pressure of 0.4 bar.

1,7 kg der Wismut-Antimon-Polykristalle mit einem Antimongehalt von 9% werden in einen Quarz- Schmelztiegel mit einem Durchmesser von 75 mm gegeben. Ein Impfkristall aus Wismut-Antimon mit einem Antimongehalt von 9% wird in der Czochralski-Apparatur fixiert. Nach Evakuieren der Apparatur wird hochreines Argon mit einem Druck von 0,4 bar aufgegeben. Der Schmelztiegel auf eine Temperatur von 350°C aufgeheizt und eine Rotation von 8 Umdrehungen/Minute eingestellt. Nach 1 Stunde läßt man die Schmelze abkühlen bis auf der Oberfläche der Schmelze Kristallisation eintritt. Der Impfkristall wird dann 1 bis 2 mm in die Schmelze eingetaucht und eine Rotation von 70 Umdrehungen/ Minute eingestellt. Der Impfprozeß dauert 60 Minuten. Die Kristallziehgeschwindigkeit beträgt 5 mm/Stunde. Beim Zuschalten von Ultraschall mit Frequenzen von 0,1 bis 5 Mhz bildet sich aus der Schmelze bei der bis zur Kristallisierung abgesenkten Temperatur ein Germanium-Silizium-Einkristall mit einem Durchmesser von 25 mm ohne Streifenbildung.1.7 kg of Bismuth-antimony polycrystals with an antimony content of 9% are Given crucibles with a diameter of 75 mm. A seed crystal Bismuth-antimony with an antimony content of 9% is used in the Czochralski apparatus fixed. After the apparatus has been evacuated, high-purity argon is produced at a pressure of 0.4 bar given up. The crucible is heated to a temperature of 350 ° C and one Rotation set at 8 revolutions / minute. The melt is left after 1 hour cool until crystallization occurs on the surface of the melt. The seed crystal will then immersed 1 to 2 mm in the melt and a rotation of 70 revolutions / Minute set. The vaccination process takes 60 minutes. The crystal pulling speed is 5 mm / hour. When switching on ultrasound with frequencies from 0.1 to 5 MHz forms from the melt at the temperature which has been reduced until crystallization Germanium-silicon single crystal with a diameter of 25 mm without streaking.

Claims

1. A method and apparatus for producing single crystals in a Czochralski apparatus using ultrasound, characterized in that the ultrasound to be entered is introduced into the melt by an indentation of the crucible bottom during the crystal pulling process.

2. Method and device for producing single crystals in a Czochralski apparatus using ultrasound according to claim 1, characterized in that the Indentation of the crucible bottom due to the shape of the crucible bottom is specified.

3. Method and device for producing single crystals in a Czochralski apparatus using ultrasound according to claim 1, characterized in that the Indentation of the crucible bottom arises from the fact that through an opening in the Crucible bottom an ultrasound transmitter protrudes into the crucible.

4. Method and device for producing single crystals in a Czochralski apparatus using ultrasound according to claim 1 and 2, characterized in that the Crucible bottom on its indentation surface with the ultrasound transmitter by welding, or by contacting by means of a metal such as gallium becomes.

5. Method and device for producing single crystals in a Czochralski apparatus using ultrasound according to the preceding claims in that the height of the crucible to the height of the indentation of the Crucible bottom in a ratio of 1000: 1 to 3: 2, preferably in a ratio of 300: 1 to 3: 1 stands.

6. Method and device for producing single crystals in a Czochralski apparatus using ultrasound according to the preceding claims in that the diameter of the preferably round indentation of the crucible bottom to the diameter of the pulled single crystal in a ratio of 0.1 to 5, preferably in Ratio is 1.0 to 1.25.