DE2007200A1

DE2007200A1 - Semiconductor rods from melts

Info

Publication number: DE2007200A1
Application number: DE19702007200
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr 8000 München Henker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-02-17
Filing date: 1970-02-17
Publication date: 1971-08-26

Abstract

Rods of semiconductor material are drawn through a cross-shaped die floating on the molten material in a crucible. The material and shape of the die are selected to give minimal wetting. Si and Ge rods can be produced in this way. Pref. the die comprises at least one of graphite, anthracite (glassy-carbon), quartz, Al2O3, BeO, boron carbide, SiC, and BN.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Ziehen von stabförmigen Halb_iI elt erkri st allen au s_ d er_ Sch mel ze Method and device for pulling rod-shaped _half-i I erkri elt st all au s_ d ER_ Sch mel ze

Die Erfindung besieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ziehen eines stabförmigen Halbleiterkristalls aus der Schmelze unter Verwendung einer querschnittsformenden Blende, durch welche das scbmelzflüssige Halbleitermaterial vor seiner Ankristallisation an einem in einer Halterung befestigten - insbesondere stabförmigen - Keimkristall kontinuierlich nach oben geführt wird.The invention relates to a method and an apparatus for pulling a rod-shaped semiconductor crystal from the melt using a cross-section forming orifice through which the molten Semiconductor material attached to a holder in a holder prior to its crystallization - in particular rod-shaped - seed crystal is continuously guided upwards.

Solche Verfahren sind an sich bekannt. Sie dienen vor allem dazu, Halbleiterstäbe, insbesondere aus Silicium oder Germanium, mit unrundem, z. B. rechteckförmigem, Querschnitt zu erzeugen. Bei der üblichen Technik, bei der die erhaltenen, insbesondere einkristallinen Halbleiterstäbe in Scheiben zerschnitten und diese Scheiben in eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen aufgeteilt v/erden, ist nämlich ein rechteckiger Querschnitt im Interesse der Materialersparnis günstiger als ein Stab mit rundem Querschnitt. Stäbe mit rechteckigem Querschnitt ohne Verwendung einer Blende lassen sich aber bestenfalls - und dann nur sehr unvollkommen- erhalten, wenn man in (IOO)-Hichtung zieht. Andererseits läßt sich aber die Gleichmäßigkeit der Querschnitte bei Verwendung von Blenden bei den bekannten Verfahren ebenfalls nicht mit der zu wünschenden Vollkommenheit realisieren.Such methods are known per se. Above all, they are used to produce semiconductor rods, in particular made of silicon or germanium, with an out-of-round, e.g. B. rectangular to produce cross-section. With the usual technique, in which the obtained, in particular monocrystalline semiconductor rods are cut into slices and these This is because disks are divided into a plurality of semiconductor components and has a rectangular cross section cheaper than a rod with a round cross-section in the interests of saving material. Rods with rectangular Cross-section without the use of a diaphragm can at best - and then only very imperfectly - obtained when pulling in (IOO) direction. On the other hand, however, the evenness of the Cross-sections when using diaphragms in the known methods also do not match what is to be desired Realize perfection.

Im Interesse der Gleichmäßigkeit des Querschnitts der erhaltenen Halbleiterstäbe ist bei dem eingangs definierten Verfahren gemäß der Erfindung vorgesehen, daß synchron und gleichsinnig mit dem um die Ziehachse rotierend enIn the interest of the uniformity of the cross-section of the semiconductor rods obtained, that defined at the beginning The method according to the invention provides that synchronously and in the same direction as the rotating about the pulling axis

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Keimkristall die - insbesondere horizontal angeordnete Blende um die gleiche Achse mit derselben Geschwindigkeit in Rotation gehalten wird.Seed crystal the - in particular horizontally arranged aperture around the same axis at the same speed is kept in rotation.

Bevorzugt befindet sich dabei die Schmelze in einem Schmelztiegel; die Erfindung kann jedoch auch beim tiegellosen Zonenschmelzen Anwendung finden=,The melt is preferably located in a crucible; However, the invention can also be used in crucible-free zone melting is used =,

Die Blende kann oberhalb des Spiegels der im Tiegel gehalterten Schmelze angeordnet sein, wie dies z.B. in der US-Patentschrift 3 096 158 gezeigt wird, Dabei ist es im Prinzip auch möglich, daß die Blende als Elektrode oder als wechselstromdurchflosseno Spule ausgestaltet ist und den Querschnitt des aus der Schmelze vom Keimkristall mitgeführten Meniskus und damit auch des aus dem Meniskus auskristallisierenden Halbleitermaterials aufgrund elektromagnetischer Kräfte bestimmt., Vorzugsweise wird jedoch das erfindungsgemäße.Verfahren unter Verwendung einer Blende durchgeführt, welche den Querschnitt des von dem Keimkristall aus der Schmelze mitgeführten flüssigen Materialstranges auf mechanische Weise festlegte In diesem Falle ist es vorteilhaft, wenn die Blende auf der Schmelze schwimmt»The diaphragm can be arranged above the level of the melt held in the crucible, as e.g. is shown in US Pat. No. 3,096,158. It is in principle also possible for the diaphragm to be used as Electrode or as an alternating current throughflow coil and the cross section of the melt The meniscus carried along by the seed crystal and thus also the semiconductor material crystallizing out of the meniscus determined on the basis of electromagnetic forces. However, the method according to the invention is preferably used performed using a diaphragm, which has the cross section of the seed crystal from the melt entrained liquid material strand fixed in a mechanical way In this case it is advantageous to when the screen floats on the melt »

Weiter empfiehlt es sich, wenn das Blendenmaterial von der Schmelze nicht benetzt wird. Dies läßt sich beim Ziehen von Germaniumkristallen unter Verwendung einer Blende aus Kohlenstoff, Quarz, AlgO^, BeO, B^C.^ oder SiG in befriedigendem Ausmaß erreichen. Dagegen konnte für das Ziehen von Siliciurnkristallen bisher kein geeignetes Blendenmaterial gefunden v/erden, das von der Siliciumschmelze nicht benetzt wird. Die Benetzungsfähigkeit kann allerdings veringert werden, wenn man als Blendenmaterial reinen Kohlenstoff, z.B. in Form von Graphit verwendet und die Temperatur der Schmelze nur unwesentlich oberhalb des Schmelzpunktes hält.It is also advisable if the panel material is not wetted by the melt. This can be done with Pulling germanium crystals using a diaphragm made of carbon, quartz, AlgO ^, BeO, B ^ C. ^ or Achieve SiG to a satisfactory extent. On the other hand, no suitable method has hitherto been found for pulling silicon crystals Screen material found that is not wetted by the silicon melt. The wettability can, however, be reduced if pure carbon, e.g. in the form of Graphite is used and the temperature of the melt is only slightly above the melting point.

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In der Figur 1 ist eine zur Durchführung des erfindun₀.--gemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung dargestellt„ Die Halbleiterschinelae 2 ist in einem - beispielsweise aus Graphit oder Siliciumdioxid bestehenden - Schmelztiegel 1 angeordnet- Die zur Beheizung der Schmelze erforderlichen Mittel sind in der Zeichnung nicht dargestellt; beispielsweise kann die Schmelze auf induktivem Weg geheizt v/erden. In einer Kristallhalterung 4 ist ein Keimkristall 3, beispielsweise aus einkristallinem Silicium oder Germanium_j eingesetzt, der zum Zwecke des Ziehens zunächst mit der aus demselben Material bestehenden Schmelze in Berührung gebracht und dann allmählich von ihr so langsam zurückgezogen wird, daß die Verbindung mit der Schmelze nicht abreißt, Diese Halterung 4 ist mit einer bekannten Ziehapparatur mittels einer Ziehstange 5 verbunden. Außerdem ist an der Halterung 4 oder an der Ziehstange ein Querarm 6 befestigt, der an seinem Ende mit je einer vertikalen ösenartigen Durchführung 6a versehen ist. Dieser Querarra dient zur mechanischen Kopplung zwischen Ziehvorrichtung und der querschnittsformenden Blende 7. Diese ist konzentrisch zur Ziehachse angeordnet und schwimmt an der Oberfläche der Schmelze 2. Durch sie wird der Querschnitt des von dem Keimkristall 3 mitgeführten flüssigen Materialstrangs 1a geformt. Die Blende 7 setst sich nach eben in einem symmetrisch zur Ziehachse angeordneten vertikalen Rahmen fort, der in der aus der Figur ersichtlichen Weise durch die beiden ösenartigen Führungen 6a des Querarms gleitend hindurchgeführt ist.1 shows an apparatus suitable for carrying out the method according erfindun ₀ .-- device is shown "The Halbleiterschinelae 2 is in a - for example made of graphite or silica - crucible 1 angeordnet- The required for heating the melt agents are not in the drawing shown; for example, the melt can be heated inductively. In a crystal holder 4 a seed crystal 3, for example made of monocrystalline silicon or germanium _{j, is} inserted, which is first brought into contact with the melt consisting of the same material for the purpose of drawing and then gradually withdrawn from it so slowly that the connection with the melt does not tear off. This holder 4 is connected to a known pulling apparatus by means of a pulling rod 5. In addition, a transverse arm 6 is attached to the holder 4 or to the pull rod, which is provided at its end with a vertical loop-like passage 6a. This Querarra is used for mechanical coupling between the pulling device and the cross-section-shaping screen 7. This is arranged concentrically to the pulling axis and floats on the surface of the melt 2. It forms the cross-section of the liquid material strand 1a carried by the seed crystal 3. The panel 7 continues in a vertical frame which is arranged symmetrically to the drawing axis and which is guided through the two loop-like guides 6a of the transverse arm in a sliding manner in the manner shown in the figure.

Falls es nicht möglich sein sollte, die Blende 7 und das rahmenartige Gestänge 8 so zu bemessen, daß die Anordnung von der Schmelze 2 getragen wird, kann ein; Gegengewicht vorgesehen sein, das an einem über eine- an der Ziehstange befestigten - Rolle geführten, mit der Ziehapparatur umlaufenden Seil hängt.If it should not be possible to dimension the panel 7 and the frame-like linkage 8 so that the Arrangement is carried by the melt 2, a; Counterweight can be provided, which is guided by a roller that is attached to the pull rod the pulling device hangs from the revolving rope.

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Besteht die Blende aus einem Material, welchem von dem geschmolzenen Halbleitermaterial nicht benetzt ..iro, so empfiehlt es sich, die Blende in der aus der Pig. 2 ersichtlichen V/eise zu konstruieren. Die Blende 7 liegt dann mit ihrer ebenen Unterseite auf der Schmelze auf und bildet nach innen eine ringförmige, den Querschnitt des flüssigen Meniskus begrenzende Schneide 7a. Taucht der Blendenkörper merklich in die Schmelze ein, so wird die Schneide 7a etwas oberhalb der Unterseite der Blende angeordnet.If the screen is made of a material which is not wetted by the molten semiconductor material ..iro, it is best to put the aperture in the out of the pig. 2 obvious ways to construct. the Aperture 7 then rests with its flat underside on the melt and inwardly forms an annular cutting edge 7a delimiting the cross section of the liquid meniscus. The visor body dips noticeably into the melt, the cutting edge 7a is arranged somewhat above the underside of the diaphragm.

Um das Schwimmen der Blende 7 auf dem Schmelzspiegel zu erleichtern, wird man zweckmäßig den Blendenkörper möglichst leicht machen« Abgeehen von der Verwendung spezifisch leichter Baumaterialien, wie z.B. BeO oder Kohlenstoff, kann hier die Ausgestaltung der Blende als Hohl- und Schwimmkörper, trotz des Vorhandenseins des die Blende mit der rotierenden Kristallhalterung koppelnden rahmenartigen Gestänges, ein Schwimmen an der Oberfläche der spezifisch verhältnismäßig schweren Halbleiterschmelze bewirken.In order to facilitate the floating of the diaphragm 7 on the melting mirror, the diaphragm body is expediently used Make it as easy as possible «Refrain from using specifically lighter building materials, such as BeO or carbon, the design of the diaphragm as a hollow and floating body, despite the presence of the frame-like rod coupling the diaphragm with the rotating crystal holder, can cause a floating on the surface of the specifically relatively cause heavy semiconductor melt.

Wesentlich für den Fall einer schlecht benetzenden Schmelze ist, daß die Schneide 7a des Blendenkörpers in die Schmelze bzw. in den von der Schmelze mitgeführten Meniskus hinoinweist. Für eine gut benetzende Schmel ze hingegen soll diese Schneide von der Schmelze und dem Meniskus weggerichtet sein, wie dies in Fig. 4 dargestellt ibt.In the event of a poorly wetting melt, it is essential that the cutting edge 7a of the visor body points into the melt or into the meniscus carried along by the melt. For a good wetting Schmel ze, however, this cutting edge should be directed away from the melt and the meniscus, as shown in FIG Fig. 4 is shown.

Der Querschnitt der Blendenöffnung wird vorzugsweise rochteckförmig, z.B. quadratisch, sein, um stabförmige Halbleiterkristalle mit einem entsprechenden Querschnitt zu erhalten. Die dann am Meniskus auftretenden Kanten v/erden jedoch durch die Oberflächenspannung der Schmelze etwas abgerundet. Es empfiehlt sich doshalb die Blendenöffnung so zu formen, daß der flüssige Meniskus in derThe cross-section of the aperture will preferably be rectangular, e.g. square, in order to be rod-shaped To obtain semiconductor crystals with a corresponding cross-section. The edges that then appear on the meniscus However, due to the surface tension of the melt, they are somewhat rounded off. It is therefore advisable to shape the aperture in such a way that the liquid meniscus is in the

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Höhe der Erstarrungsgrenze (einige Millimeter obez'-halb des Spiegels der Schmelze) gerade die richtige Form mit rechteckigen Kanten hat. Dies wird an Hand einer Blendenöffnung gemäß Fig. 5 möglich.The height of the solidification limit (a few millimeters above the level of the melt) is just the right one Has a shape with rectangular edges. This is possible using a diaphragm opening according to FIG. 5.

3)a die Oberflächenspannung die Tendenz int, den Öffnungswinkel an den Kanten zu strecken und außerdem die ebene Begrenzung der Seitenflächen des Materialstranges konvex nach außen zu krümmen, wird die Begrenzung der Blendenöffnung ^ernäß Fig. 5 mit nach innen gekrümmten Seiten und spitzen Winkeln versehen. Das Ausmaß dieser Verzerrungen wird so gewählt, daß infolge der durch die Oberflächenspannung bewirkton Entzerrung in der Höhe der Erstarrungsgrenze gerade der gewünschte quadratische Querschnitt des flüssigen Materials erreicht ist. In diesem Zusammenhange darf darauf aufmerksam gemacht werden, daß anstelle eines festen zusammenhängenden Blendenkörpers auch eine Anzahl von in die Schmelze tauchender Stifte verwendet werden kann, die den flüssigen Materialstrang blendenartig umgeben.3) a the surface tension int the tendency to stretch the opening angle at the edges and also Curving the flat delimitation of the side surfaces of the material strand convex outwards becomes the delimitation the diaphragm opening according to FIG. 5 is provided with inwardly curved sides and acute angles. That The extent of these distortions is chosen so that, as a result of the equalization caused by the surface tension the desired square cross-section of the liquid material is just reached at the level of the solidification limit is. In this context, attention should be drawn to the fact that instead of a solid, coherent Visor body can also use a number of melt-immersed pins that surround the liquid strand of material like a diaphragm.

Mitunter kann es zweckmäßig sein, die an den Kanten des Kristalls und des ihn nährenden Materialstranges auftretende vermehrte Y/ärmeabstrahlung zu vermindern, vor allem wenn es sich um die Herstellung von Kristallen mit einem größeren Querschnitt handelt. In diesem Falle können, den Kristall am Ort der Kanten umgebende, reflektierende Schirme vorgesehen sein, die entsprechend den Kanten des Kristalls gewinkelt sind. Sie sind zweckmäßig am Blenden körper oder an der Kristallhalterung befestigt und rotieren des halb zugleich mit dem Kristall um die Ziehachse.Occasionally it can be expedient to place the material on the edges of the crystal and the strand of material that nourishes it to reduce any increased Y / heat radiation, especially when it comes to the production of crystals acts with a larger cross-section. In this case, surrounding the crystal at the location of the edges, reflective screens may be provided which are angled to match the edges of the crystal. they are expediently attached to the diaphragm body or to the crystal holder and rotate at the same time as the crystal around the pull axis.

7 Patentansprüche
4 Figuren7 claims
4 figures

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Claims

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1st A method for pulling a rod-shaped semiconductor crystal from the melt using a cross-section-shaping diaphragm through which the molten semiconductor material is continuously guided upwards to a - in particular rod-shaped - seed crystal fastened in a holder before it is crimped, characterized in that it is synchronized and in the same direction with the the pull axis rotating seed crystal, the diaphragm - in particular horizontally arranged - is kept in rotation about the same axis at the same speed.

2. Apparatus for performing the method according to claim 1, characterized by a concentric arranged to the pull axis and parallel to this in at least one rigid with the pull rod (5) associated guide (6a) displaceable rack-like structure (B), which is used to hold the particular on the melt floating cross-sectional shaping diaphragm (7) is used.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the diaphragm consists of at least one of the materials graphite, hard carbon (bright carbon), quartz, Al, O _v , BeO, boron carbide, silicon carbide, boron nitride

4. Apparatus according to claim 2 and;>, characterized in that the cross-sectional shape of the blume is coupled with at least one radiation screen in such a way that it provides the preferred radiation at edges; to z: i ehenden Kri υ tails in comparison to the flat i ¹ e L ¹ en les : u pulling crystal.-; all: ^ 1 calibrate fc,

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5. Device according to one of claims 2-4, characterized in that the radiation protection rotates together with the diaphragm and the crystal to be pulled around the pulling axis.

6. Device according to one of Anspücho 2-5, characterized in that the cross-section-shaping diaphragm is designed as a hollow body or float

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7. Device according to one of claims 2-6, characterized in that the weight of the diaphragm is compensated by a counterweight.

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