WO2020001939A1 - Method and device for drawing a single crystal of semiconductor material, and semiconductor wafer of silicon - Google Patents

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WO2020001939A1
WO2020001939A1 PCT/EP2019/064553 EP2019064553W WO2020001939A1 WO 2020001939 A1 WO2020001939 A1 WO 2020001939A1 EP 2019064553 W EP2019064553 W EP 2019064553W WO 2020001939 A1 WO2020001939 A1 WO 2020001939A1
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crucible
semiconductor material
heating device
melt
cooling plate
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PCT/EP2019/064553
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Inventor
Dieter Knerer
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Siltronic Ag
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    • C30B15/16Heating of the melt or the crystallised materials by irradiation or electric discharge

Definitions

  • the present invention relates to a method for pulling a single crystal from semiconductor material using a device with a crucible, such a device and a semiconductor wafer made from single-crystal silicon.
  • Single crystals made of semiconductor material such as silicon can be pulled out of a
  • melt of the semiconductor material are produced.
  • a so-called seedling is usually introduced into the melt and then pulled up.
  • This process is also known as the so-called Czochralski method.
  • the melt itself is obtained by melting generally polycrystalline, ie solid, semiconductor material, which is usually introduced into the crucible as a bed.
  • Contamination in the device or in the components can usually be kept low by using suitable materials.
  • semiconductor materials such as the silicon mentioned are usually also coated with an oxide or the semiconductor material oxidizes in air. In the case of silicon, silicon dioxide is created.
  • JP 2196082 A it is known, for example, to remove such an oxide layer by heating the semiconductor material in the device to a predetermined temperature for a predetermined period of time. Then the device is evacuated or an inert gas atmosphere is formed therein.
  • silicon nitride which avoids the risk of contamination by oxygen from the crucible, as is the case with conventional crucibles made of silicon dioxide or quartz.
  • silicon dioxide or quartz As is the case with conventional crucibles made of silicon dioxide or quartz.
  • silicon nitride or corresponding other nitrides it can sometimes be very high
  • the task arises of using a crucible made of a nitride of a semiconductor material to pull a single crystal out of this semiconductor material to improve the manufacturing process or pulling process.
  • the invention relates to a method for pulling a single crystal from semiconductor material using a device with a crucible, which is used to pull the single crystal from a melt in the crucible.
  • a crucible is used as the crucible, which consists at least partially, but preferably also completely, of a nitride of the semiconductor material.
  • silicon in the particularly preferred case of silicon as the semiconductor material, this is silicon nitride (Si3N 4 ).
  • the semiconductor material from which the single crystal is to be formed preferably silicon
  • This can in particular also take the form of a bed, ie individual, smaller and / or larger pieces of the semiconductor material are introduced or poured into the crucible.
  • such a device generally also has a suitable pulling device for the single crystal from the melt, which - as will be explained later - is obtained from the semiconductor material.
  • a heat shield is usually provided, the lower end of which is designed as a type of brim.
  • the semiconductor material in the crucible is heated before pulling the single crystal, so that the semiconductor material melts. It is usual or appropriate here
  • a partial pressure for nitrogen is set or regulated in the device to a value of at least 0.1 mbar, preferably of at least 1 mbar.
  • a total pressure of the atmosphere in the device is preferably set or regulated to a value of at least 50 mbar, preferably at least 200 mbar.
  • the pressure can be increased as desired, but if, for example, devices which are actually intended for vacuum are used, an appropriate upper limit may be 800 mbar, since such devices are not suitable for higher pressures.
  • At least one neutral gas, in particular argon is expediently provided in the atmosphere in addition to nitrogen. Such a neutral gas serves as a protective gas.
  • a partial pressure for nitrogen is set or regulated to a value between 1 mbar and 10 mbar, preferably between 2 mbar and 5 mbar. In this way, as close as possible to a triple point between - in the case of silicon as a semiconductor material - silicon nitride, solid
  • Nitrogen and liquid nitrogen can be approached. For a closer
  • Semiconductor material is that when the single crystal is pulled from the melt, crystals form from the nitride of the semiconductor material, for example
  • Silicon nitride crystals separate.
  • the molten semiconductor material dissolves the material of the crucible up to the solubility limit, with maximum solubility generally being highly temperature-dependent.
  • Such crystals from the nitride of the semiconductor material grow not only due to temperature differences, but also due to segregation during crystal pulling.
  • the growing single crystal contains significantly less nitrogen than the melt, which is why the nitrogen is enriched in the melt.
  • it is advisable to use this excess Remove nitrogen from the system at a suitable location so that particles from the nitride of the semiconductor material (so-called segregation) do not lead to the dislocation of the single crystal.
  • a cooling plate surrounding the crucible in particular an annular one, is provided, which is in thermal contact with a cooling device surrounding the cooling plate and the crucible.
  • a cooling plate is a plate or another shaped unit made of a particularly good heat-conducting material. This allows heat or heat to be conducted away particularly well from the surface of the melt or from the crucible.
  • the cooling device can be, for example, water cooling of the system jacket.
  • the temperature in the region of the crucible can be kept as low as possible, which prevents or reduces the decomposition of the nitride from the semiconductor material.
  • the surface of the melt can be positioned at the level of the cooling plate, if possible, or vice versa.
  • a cooling capacity of the cooling plate is set or regulated by means of a cooling plate heating device. This enables a more precise setting or control of the heat dissipated.
  • a temperature required for this can be measured at a suitable point, for example by means of a temperature sensor, in particular a pyrometric one
  • a cooling capacity of the cooling plate can also be selected or set once by its thickness (i.e. an expansion in the direction of gravity).
  • crystal needles are formed or grown from the nitride of the semiconductor material (ie in particular from silicon nitride) on a surface of the crucible facing the melt.
  • Such growth of crystals can be achieved, for example, by deliberately changing the partial pressure of the protective gas or neutral gas mentioned and / or by changing the flow of the protective gas or neutral gas mentioned can be varied by the device.
  • a bead made of the nitride of the semiconductor material forms on the inside of the crucible at about the level of the surface of the melt, on which beads such crystals can then be selectively grown.
  • a coating with crystallization nuclei is provided on the surface of the crucible facing the melt (i.e. on the inside thereof).
  • a layer can be produced by chemical vapor deposition (CVD). This is achieved by the fact that CVD process conditions produce particularly strong crystal growth in this crystal direction and so that appropriately oriented nuclei become established. This makes it particularly easy and easy to achieve that the crystal needles then grow in a direction perpendicular to the surface of the crucible, and so a total of a particularly large number of crystal needles can be formed and a particularly large amount of nitrogen can be bound therein.
  • Such a heating device can be specifically set or regulated in such a way that a sufficiently wide area around the single crystal remains free from the crystal needles.
  • the difference between the temperature, in particular the radiation temperature, the surface of the melt and the (lower) ambient temperature of the melt is preferably between 3 ° C. and 8 ° C. Another point when using crucibles made from a nitride
  • Semiconductor material is that as little as possible unnecessary heat into the system, in particular the crucible, should be introduced in order to avoid degradation of the crucible as far as possible.
  • the solid and meltable semiconductor material which is located in the crucible
  • the crucible from above (seen in the direction of gravity) and / or the crucible from below (also seen in the direction of gravity) in each case at least partially heated directly by heat radiation generated by the heater.
  • direct heating is to be understood to mean that the heat radiation generated by the heating device is unimpeded on the relevant one to be heated
  • Components such as a susceptor are present, which are also heated and then act as unnecessary or undesirable heat sources.
  • the crucible can expediently be moved into a heating position within the device.
  • the heating device is or is in particular arranged in such a way that it surrounds the crucible and is bent inwards (in particular in the radial direction) at an upper end above the crucible with respect to gravity.
  • the crucible for melting the semiconductor material can thus be moved downwards in a targeted manner and the curved material can be used to directly heat the semiconductor material and so on
  • the crucible can then be moved up again so that the single crystal can be pulled.
  • the crucible is arranged on a suspension element which has at least one opening, so that the crucible is generated by means of the heating device by means of the heating device Heat radiation that passes through the at least one opening is directly heated.
  • a suspension element can be, for example, a tube with openings or recesses in the tube walls, so that the heat radiation
  • the semiconductor material must be heated via the crucible.
  • Computing unit or control unit can be used.
  • the invention further relates to a device for pulling a single crystal from semiconductor material, which has a crucible in which a melt from which the single crystal can be drawn can be kept, the crucible consisting at least partially of a nitride of the semiconductor material.
  • the device is set up in such a way that a partial pressure for nitrogen is set or regulated therein during operation to a value of at least 0.1 mbar, preferably of at least 1 mbar.
  • a computing unit or control unit can be provided.
  • a cooling plate in particular an annular one, surrounding the crucible provided, which is in thermal contact with a cooling device surrounding the cooling plate and the crucible.
  • the device is set up such that during operation on one of the melts
  • a heating device is provided which is arranged in such a way that the solid and meltable semiconductor material from above and / or the crucible from below can each be at least partially heated directly by heat radiation generated by the heating device.
  • the invention further relates to a semiconductor wafer made of single-crystal silicon, which is separated from a single crystal produced according to the invention, for example by means of a wire saw.
  • the semiconductor wafer made of single-crystal silicon preferably has a diameter of at least 300 mm and an oxygen content of less than 1 ⁇ 10 16 atoms per cm 3 , the oxygen content being understood in accordance with the new ASTM standard.
  • Figure 1 shows schematically in longitudinal section a device according to the invention in a preferred embodiment, with which a method according to the invention can be carried out.
  • FIG. 2 shows schematically the device of Figure 1 in a different position.
  • FIG. 3 shows a phase diagram for silicon or silicon nitride as a function of temperature and nitrogen partial pressure.
  • Figure 4 shows schematically part of a crucible of an inventive
  • Figure 5 shows schematically a coating of a surface of a crucible of a device according to the invention in a preferred embodiment.
  • FIG. 1 schematically shows a device 100 according to the invention in a preferred embodiment, which is used to pull a single crystal.
  • a method according to the invention can be carried out, which in a preferred embodiment is to be explained in more detail below with the aid of the device 100.
  • FIG. 2 shows the device 100 from FIG. 1 in a different position while a method according to the invention is being carried out.
  • Figures 1 and 2 will be described in a comprehensive manner.
  • a crucible 130 is arranged in the device 100, into which solid semiconductor material can be introduced.
  • semiconductor material is indicated by reference numeral 153 and is, for example, silicon, here in the form of a bed, ie in the form of many individual pieces, here polycrystalline pieces.
  • the crucible 130 in this case consists at least partially, but in particular completely, of a nitride of the flalbonductor material, that is to say, for example, silicon nitride (Si 3 N 4 ).
  • This solid semiconductor material is melted, so that a melt or melted semiconductor material 154 results in the crucible 130, as shown in FIG. 2.
  • a heating device 135 is provided which surrounds the crucible 130.
  • This heating device 135 can be, for example, an oven or the like.
  • a heat shield 136 is attached above the semiconductor material 153 or the melt 154 and the crucible 130, which heat shield can serve to retain the heat that is later emitted by the melt 154, so as to reduce the energy consumption.
  • a single crystal 150 as can be partially seen or indicated in FIG. 1, can then later be formed from the melt using a pulling device 140.
  • a more detailed description of the pulling of the crystal is not intended to be given within the scope of the present invention, since this basically does not differ from known methods.
  • a heating position PH heat radiation generated by the heating device 135, here indicated by an arrow W, can directly heat the solid semiconductor material 153.
  • the heating device 135 is bent radially inwards at an upper end or region, so that the heat radiation W can reach the solid semiconductor material 153 more directly and over a large area. In this way, indirect heating of the solid
  • Semiconductor material 153 can be reduced via the crucible 130 or its wall, which would lead to undesirable heat sources within the device and thus would contribute to the degradation of the crucible 130. It goes without saying that the crucible 130 must be able to be moved into the heating position PH in a suitable manner.
  • the crucible can be moved into a pulling position PZ, in which the single crystal 150 can be pulled out of the melt 154, as shown in FIG. 2.
  • the crucible 130 is arranged on a support means 161, for example in the form of a tube or the like, which in turn is arranged in or on a collecting trough 160. Openings are now provided in the suspension means 161, designated 162 here by way of example. These openings 162 preferably extend at least 50% of the circumference (with respect to an axis in the direction of gravity) of the suspension element 161. In this way it can be achieved that heat radiation W, which is generated by means of the heating device 135, in particular in the pulling position PZ, directly can reach the crucible 130 or its wall, in particular also at locations or areas that would be covered using conventional suspension means. In this way, undesirable heat sources within the device can be avoided or reduced, which would otherwise contribute to the degradation of the crucible 130.
  • a cooling device 120 is provided in the device 100, which surrounds the crucible 130 and which can be, for example, water cooling. Furthermore, an annular cooling plate 121 is provided, which likewise surrounds the crucible 130 (at least in the position shown in FIG. 2) and which is in thermal contact with the cooling device 120.
  • the cooling plate in particular has a thermally highly conductive material, for example plates made of isostatically pressed graphite. Above the cooling plate 121 are a number of plates 122 made of thermally insulating material, for example
  • Carbon felt or carbon hard felt provided.
  • heat that is generated or present in the crucible 130 or the melt 154 can be dissipated particularly effectively and quickly, as is indicated by an arrow F, which represents a heat flow.
  • the heat flow can be directed to the outside
  • a cooling plate heating device 125 is provided, by means of which the cooling capacity of the cooling plate 121 can be adjusted or regulated.
  • a maximum output, to which the cooling plate is designed in connection with the cooling device 120, can be specifically reduced, if necessary.
  • the device 100 contains a further, in particular annular,
  • Heating device 138 is provided, which faces a surface of the melt 154 and surrounds the single crystal 150 to be pulled.
  • Heating device 138 can ensure that crystal needles, which are formed in the melt and on the surface of the crucible facing the melt, do not grow too far to the single crystal 150. For this purpose, also on the
  • FIG. 3 shows a phase diagram for silicon or silicon nitride, a pressure p in mbar and a logarithmic representation for a partial pressure of nitrogen over a temperature T in ° C. being plotted.
  • Three phases are shown, with P1 showing a phase of solid silicon nitride (ShNU), P2 showing a phase of solid silicon and P3 showing a phase of liquid silicon.
  • This phase diagram shows the dependencies of the conversion from silicon to silicon nitride on both the temperature T and the partial pressure of
  • Nitrogen P recognizable. This phase diagram shows that at a temperature higher than the melting temperature of silicon (here around 1420 ° C), a certain
  • Partial pressure for nitrogen is appropriate to remain in a range (as close as possible to the triple point) in which all phases involved are stable, or the
  • the nitrogen required for this can, for example, be introduced into the device 100 via the openings 101 shown in FIGS. 1 and 2 and set or regulated by means of a computing unit 110 designed as a control or regulating unit.
  • the atmosphere in the device can contain a neutral gas such as argon, as has already been explained in more detail at the beginning.
  • FIG. 4 schematically shows part of a crucible 130 of a device according to the invention in a preferred embodiment, as is shown for example in FIGS. 1 and 2.
  • a bulge 155 forms on a surface 131 of the crucible 130 facing the melt on fleas of the surface 151 of the melt.
  • the background to this is that the removal of silicon from the melt to form the single crystal increases the proportion of nitrogen in the melt. This creates an imbalance, which is reflected in the formation of crystalline silicon nitride. Crystals made of silicon nitride that float freely in the melt and float freely on the melt surface are undesirable since these can lead to dislocation of the single crystal. For this reason, crystal needles made of silicon nitride are specifically formed on the surface 131 on this bead 155.
  • crystal needles are created over the entire height of the inner wall of the crucible, which is smeared by the melting surface.
  • Such crystal needles are designated 156 by way of example.
  • the region of the melt in which the single crystal is formed or drawn is as free as possible from such floating crystals, so that dislocations in the single crystal occur as far as possible.
  • This coating 170 is, in particular, a CVD layer with crystallization nuclei 171, which particularly preferably have triple crystal corners, as designated by way of example at 172.
  • This way can be achieved be that the crystal needles to be formed on the surface of the crucible grow inwards as perpendicularly as possible to the crucible wall on the melting surface.
  • annular heating device which is explained with reference to FIGS. 1 and 2 and surrounds the single crystal, it can also be achieved that these crystal needles are not too close to the single crystal
  • the proposed method and the proposed device can be used to form a particularly low-oxygen single crystal, preferably a single crystal made of silicon, because despite the use of, for example
  • Silicon nitride as a material for the crucible the problems that arise or

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Abstract

The invention relates to a method for drawing a single crystal (150) using a device (100) having a crucible, which device is used to draw the single crystal (150) from a melt in the crucible (130), wherein: a crucible consisting at least partially of a nitride of the semiconductor material is used as the crucible (130), and a partial pressure for nitrogen is set or adjusted to a value of at least 0.1 mbar in the device (100), and/or a cooling plate (121), which surrounds the crucible and in particular is annular, is provided at the height of the crucible (130), which cooling plate is in thermal contact with a cooling device (120), which surrounds the cooling plate (121) and the crucible (130), and/or on a surface (131) of the crucible facing the melt, crystal needles (156) are formed from the nitride of the semiconductor material, and/or by means of a heating device (135), the solid semiconductor material (153) to be heated is directly heated from above and/or the crucible (130) is directly heated from below, in each case at least partially by thermal radiation (W) produced by means of the heating device. The invention further relates to a device (100) of this type.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus Halbleitermaterial und Halbleiterscheibe aus Silizium  Method and device for pulling a single crystal from semiconductor material and semiconductor wafer from silicon
Beschreibung description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls aus Halbleitermaterial unter Verwendung einer Vorrichtung mit einem Tiegel, eine solche Vorrichtung sowie eine Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium. The present invention relates to a method for pulling a single crystal from semiconductor material using a device with a crucible, such a device and a semiconductor wafer made from single-crystal silicon.
Stand der Technik State of the art
Einkristalle aus Halbleitermaterial wie Silizium können durch Ziehen aus einer Single crystals made of semiconductor material such as silicon can be pulled out of a
Schmelze des Halbleitermaterials hergestellt werden. Hierzu wird in der Regel ein sog. Impfling in die Schmelze eingebracht und dann hochgezogen. Dieser Vorgang ist auch als die sog. Czochralski-Methode bekannt. Die Schmelze selbst wird durch Aufschmelzen von in der Regel polykristallinem, also festem, Halbleitermaterial gewonnen, das meist als Schüttung in den Tiegel eingebracht wird. Generell ist es nun gewünscht, den Sauerstoffgehalt solcher Einkristalle möglichst niedrig zu halten. Verunreinigungen in der Vorrichtung bzw. in den Komponenten können dabei meist dadurch gering gehalten werden, indem geeignete Materialien verwendet werden. Allerdings sind Halbleitermaterialien wie das erwähnte Silizium selbst in aller Regel auch von einem Oxid überzogen bzw. das Halbleitermaterial oxidiert an Luft. Im Falle von Silizium entsteht dabei Siliziumdioxid. Aus der JP 2196082 A ist beispielsweise bekannt, eine solche Oxidschicht zu entfernen, indem das Halbleitermaterial in der Vorrichtung für einen vorgegebenen Zeitraum auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt wird. Dann wird die Vorrichtung evakuiert oder es wird eine Inertgas- Atmosphäre darin gebildet. Außerdem ist es beispielsweise aus der US 2005/0118461 A1 bekannt, bei solchen Vorrichtungen zum Ziehen eines Einkristalls aus Silizium einen Tiegel aus Melt of the semiconductor material are produced. For this purpose, a so-called seedling is usually introduced into the melt and then pulled up. This process is also known as the so-called Czochralski method. The melt itself is obtained by melting generally polycrystalline, ie solid, semiconductor material, which is usually introduced into the crucible as a bed. In general, it is now desirable to keep the oxygen content of such single crystals as low as possible. Contamination in the device or in the components can usually be kept low by using suitable materials. However, semiconductor materials such as the silicon mentioned are usually also coated with an oxide or the semiconductor material oxidizes in air. In the case of silicon, silicon dioxide is created. From JP 2196082 A it is known, for example, to remove such an oxide layer by heating the semiconductor material in the device to a predetermined temperature for a predetermined period of time. Then the device is evacuated or an inert gas atmosphere is formed therein. In addition, it is known, for example from US 2005/0118461 A1, to use a crucible in such devices for pulling a single crystal from silicon
Siliziumnitrid zu verwenden, wodurch die Gefahr, Verunreinigungen durch Sauerstoff aus dem Tiegel, wie dies bei herkömmlichen Tiegeln aus Siliziumdioxid bzw. Quarz der Falls ist, zu vermeiden. Allerdings kann es bei der Verwendung eines Tiegels aus Siliziumnitrid oder entsprechend anderen Nitriden bei mitunter sehr hohen Use silicon nitride, which avoids the risk of contamination by oxygen from the crucible, as is the case with conventional crucibles made of silicon dioxide or quartz. However, when using a crucible made of silicon nitride or corresponding other nitrides, it can sometimes be very high
Temperaturen, wie sie beim Ziehen von Einkristallen oftmals nötig sind, zu Temperatures, which are often necessary when pulling single crystals, too
verschiedenen Problemen bzw. Nachteilen kommen. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, bei Verwendung eines Tiegels aus einem Nitrid eines Halbleitermaterials zum Ziehen eines Einkristalls aus diesem Halbleitermaterial, den Herstellungsprozess bzw. Ziehprozess zu verbessern. various problems or disadvantages. Against this background, the task arises of using a crucible made of a nitride of a semiconductor material to pull a single crystal out of this semiconductor material to improve the manufacturing process or pulling process.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls sowie ein Einkristall mit den Merkmalen der unabhängigen According to the invention, a method and an apparatus for pulling a single crystal and a single crystal with the features of the independent
Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Claims proposed. Advantageous embodiments are the subject of the subclaims and the following description.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls aus Halbleitermaterial unter Verwendung einer Vorrichtung mit einem Tiegel, die zum Ziehen des Einkristalls aus einer Schmelze in dem Tiegel dient. Als Tiegel wird dabei ein Tiegel verwendet, der wenigstens teilweise, vorzugsweise aber auch vollständig, aus einem Nitrid des Halbleitermaterials besteht. Im besonders bevorzugten Fall von Silizium als Halbleitermaterial handelt es sich dabei um Siliziumnitrid (Si3N4). The invention relates to a method for pulling a single crystal from semiconductor material using a device with a crucible, which is used to pull the single crystal from a melt in the crucible. A crucible is used as the crucible, which consists at least partially, but preferably also completely, of a nitride of the semiconductor material. In the particularly preferred case of silicon as the semiconductor material, this is silicon nitride (Si3N 4 ).
Das Halbleitermaterial, aus dem der Einkristall gebildet werden soll, vorzugsweise Silizium, wird dabei in der Regel in fester Form, insbesondere in polykristalliner Form, in den Tiegel eingebracht. Dies kann insbesondere auch als Schüttung erfolgen, d.h. es werden einzelne, kleinere und/oder größere Stücke des Halbleitermaterials in den Tiegel eingebracht bzw. eingeschüttet. Eine solche Vorrichtung weist hierzu neben dem Tiegel in aller Regel auch eine geeignete Zieheinrichtung auf, um den Einkristall aus der Schmelze, die - wie später noch erläutert - aus dem Halbleitermaterial gewonnen wird, zu ziehen. Zudem ist meist ein Hitzeschild vorgesehen, dessen unteres Ende als eine Art Topfkrempe ausgebildet ist. Für eine detailliertere The semiconductor material from which the single crystal is to be formed, preferably silicon, is generally introduced into the crucible in solid form, in particular in polycrystalline form. This can in particular also take the form of a bed, ie individual, smaller and / or larger pieces of the semiconductor material are introduced or poured into the crucible. In addition to the crucible, such a device generally also has a suitable pulling device for the single crystal from the melt, which - as will be explained later - is obtained from the semiconductor material. In addition, a heat shield is usually provided, the lower end of which is designed as a type of brim. For a more detailed
Beschreibung der Vorrichtung sei an dieser Stelle auf die noch folgenden Description of the device at this point is based on the following
Ausführungen, insbesondere auch die Figurenbeschreibung, verwiesen. Das im Tiegel befindliche Halbleitermaterial wird vor dem Ziehen des Einkristalls erhitzt, sodass das Halbleitermaterial schmilzt. Üblich oder zweckmäßig ist hierbei Versions, especially the description of the figures, referenced. The semiconductor material in the crucible is heated before pulling the single crystal, so that the semiconductor material melts. It is usual or appropriate here
beispielsweise eine Temperatur von über 1410 °C. Werden Einkristalle aus Silizium, das sich in herkömmlichen Tiegeln aus Quarz bzw. Siliziumdioxid befindet, gezogen, löst sich Sauerstoff aus dem Tiegelmaterial und kann durch Absenken des Druckes in der Vorrichtung in Form von Siliziummonoxid (SiO) aus der Schmelze entfernt werden. Wird jedoch beispielsweise Siliziumnitrid als Tiegelmaterial verwendet, so löst die Schmelze Stickstoff bis zur Sättigung der Lösung. Es gibt keine chemische Verbindung, die einen wirksam höheren for example a temperature of over 1410 ° C. If single crystals are drawn from silicon, which is found in conventional crucibles made of quartz or silicon dioxide, oxygen dissolves from the crucible material and can be removed from the melt in the form of silicon monoxide (SiO) by lowering the pressure in the device. However, if, for example, silicon nitride is used as the crucible material, the melt dissolves nitrogen until the solution is saturated. There is no chemical compound that is effectively a higher one
Dampfdruck als Silizium hat und die damit herangezogen werden könnte, um den Stickstoff durch Anlegen eines Vakuums in der Vorrichtung wieder aus der Schmelze zu entfernen. Zudem ist Siliziumnitrid schon bei Normaldruck bei den erwähnten Temperaturen chemisch nicht mehr stabil und zerfällt zu Silizium und Stickstoff. Bei Normaldruck beginnt dieser Zerfall theoretisch bei etwa 1380 °C, im Vakuum in etwa bei 1200°C. Damit ergibt sich für den üblichen Ziehprozess des Einkristalls bei der erwähnten Temperatur von etwa 1410°C das Problem eines chemisch instabilen Tiegels.  Has vapor pressure than silicon and which could be used to remove the nitrogen from the melt by applying a vacuum in the device. In addition, silicon nitride is no longer chemically stable even at normal pressure at the temperatures mentioned and decomposes to silicon and nitrogen. At normal pressure, this decay theoretically begins at around 1380 ° C, in vacuum at around 1200 ° C. This results in the problem of a chemically unstable crucible for the usual pulling process of the single crystal at the aforementioned temperature of approximately 1410 ° C.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist nun vorgesehen, dass in der Vorrichtung ein Partialdruck für Stickstoff auf einen Wert von wenigstens 0,1 mbar, vorzugsweise von wenigstens 1 mbar eingestellt oder eingeregelt wird. Vorzugsweise wird zudem in der Vorrichtung ein Gesamtdruck der Atmosphäre auf einen Wert von wenigstens 50 mbar, bevorzugt wenigstens 200 mbar, eingestellt oder eingeregelt. Generell kann der Druck beliebig erhöht werden, jedoch kann beispielsweise bei Verwendung von eigentlich für Vakuum vorgesehenen Vorrichtungen eine zweckmäßige Obergrenze bei 800 mbar liegen, da solche Vorrichtungen nicht für höheren Druck geeignet sind. Zweckmäßigerweise wird dabei in der Atmosphäre neben Stickstoff wenigstens ein Neutralgas, insbesondere Argon, vorgesehen. Ein solches Neutralgas dient dabei als Schutzgas. Damit wird also nicht mehr versucht, die Vorrichtung möglichst zu evakuieren, sondern es wird gezielt ein gewisser Druck eingestellt, wobei insbesondere der Partialdruck für Stickstoff - d.h. das Vorhandensein von Stickstoff in der Atmosphäre - genutzt wird, um einen Zerfall des Nitrids aus dem Halbleitermaterial, aus dem der Tiegel besteht, zu reduzieren oder gar zu vermeiden. Die Evakuierung wird bei herkömmlichen Tiegeln aus Siliziumdioxid bzw. Quarz insbesondere deshalb verwendet, um Sauerstoff auszudampfen, was bei der Verwendung von Siliziumnitrid oder anderem Nitrid für Tiegel weder nötig noch zweckmäßig ist. According to one aspect of the invention, it is now provided that a partial pressure for nitrogen is set or regulated in the device to a value of at least 0.1 mbar, preferably of at least 1 mbar. In addition, a total pressure of the atmosphere in the device is preferably set or regulated to a value of at least 50 mbar, preferably at least 200 mbar. In general, the pressure can be increased as desired, but if, for example, devices which are actually intended for vacuum are used, an appropriate upper limit may be 800 mbar, since such devices are not suitable for higher pressures. At least one neutral gas, in particular argon, is expediently provided in the atmosphere in addition to nitrogen. Such a neutral gas serves as a protective gas. It is therefore no longer attempted to evacuate the device as much as possible, but instead a specific pressure is set, the partial pressure for nitrogen - ie the presence of nitrogen in the atmosphere - in particular being used to break down the nitride from the semiconductor material. of which the crucible is made to be reduced or even avoided. In conventional crucibles made of silicon dioxide or quartz, the evacuation is used in particular to evaporate oxygen, which is neither necessary nor expedient when using silicon nitride or other nitride for crucibles.
Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn ein Partialdruck für Stickstoff auf einen Wert zwischen 1 mbar und 10 mbar, bevorzugt zwischen 2 mbar und 5 mbar, eingestellt oder eingeregelt wird. Auf diese Weise kann möglichst nahe an einen Tripelpunkt zwischen - im Falle von Silizium als Halbleitermaterial - Siliziumnitrid, festem It is particularly preferred if a partial pressure for nitrogen is set or regulated to a value between 1 mbar and 10 mbar, preferably between 2 mbar and 5 mbar. In this way, as close as possible to a triple point between - in the case of silicon as a semiconductor material - silicon nitride, solid
Stickstoff und flüssigem Stickstoff herangekommen werden. Für eine nähere Nitrogen and liquid nitrogen can be approached. For a closer
Erläuterung sei an dieser Stelle auch auf die Figurenbeschreibung und das Explanation should also be made to the description of the figures and the
zugehörigen Diagramm bzw. Phasendiagramm verwiesen. related diagram or phase diagram.
Ein weiterer Punkt bei der Verwendung von Tiegeln aus einem Nitrid des Another point when using crucibles made from a nitride
Halbleitermaterials ist, dass sich beim Ziehen des Einkristalls aus der Schmelze Kristalle aus dem Nitrid des Halbleitermaterials, also beispielsweise Semiconductor material is that when the single crystal is pulled from the melt, crystals form from the nitride of the semiconductor material, for example
Siliziumnitridkristalle, entmischen. Das schmelzflüssige Halbleitermaterial löst Material des Tiegels bis zur Löslichkeitsgrenze in sich auf, wobei eine maximale Löslichkeit in der Regel stark temperaturabhängig ist. Silicon nitride crystals, separate. The molten semiconductor material dissolves the material of the crucible up to the solubility limit, with maximum solubility generally being highly temperature-dependent.
Nicht nur aufgrund von Temperaturunterschieden kommt es zu einem Wachstum von solchen Kristallen aus dem Nitrid des Halbleitermaterials in der Schmelze, sondern auch durch eine Segregation während des Kristallziehens. Der wachsende Einkristall enthält wesentlich weniger Stickstoff als die Schmelze, weshalb der Stickstoff in der Schmelze angereichert wird. Insofern ist es zweckmäßig, diesen überschüssigen Stickstoff an einem passenden Ort aus dem System zu entfernen, damit Partikel aus dem Nitrid des Halbleitermaterials (sog. Entmischungen) nicht zum Versetzen des Einkristalls führen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist daher vorgesehen, dass auf Höhe des Tiegels (hierbei wird insbesondere auf die Schwerkraftrichtung Bezug Such crystals from the nitride of the semiconductor material grow not only due to temperature differences, but also due to segregation during crystal pulling. The growing single crystal contains significantly less nitrogen than the melt, which is why the nitrogen is enriched in the melt. In this respect, it is advisable to use this excess Remove nitrogen from the system at a suitable location so that particles from the nitride of the semiconductor material (so-called segregation) do not lead to the dislocation of the single crystal. According to a further aspect of the invention it is therefore provided that at the level of the crucible (reference is made in particular to the direction of gravity
genommen) eine den Tiegel umgebende, insbesondere ringförmige, Kühlplatte vorgesehen wird, die in thermischem Kontakt mit einer die Kühlplatte und den Tiegel umgebenden Kühlvorrichtung steht. Bei einer solchen "Kühlplatte" handelt es sich um eine Platte oder auch eine anders geformte Einheit aus einem besonders gut wärmeleitenden Material. Damit kann Wärme bzw. Hitze besonders gut von der Oberfläche der Schmelze bzw. vom Tiegel weggeführt werden. Bei der taken) a cooling plate surrounding the crucible, in particular an annular one, is provided, which is in thermal contact with a cooling device surrounding the cooling plate and the crucible. Such a "cooling plate" is a plate or another shaped unit made of a particularly good heat-conducting material. This allows heat or heat to be conducted away particularly well from the surface of the melt or from the crucible. In the
Kühlvorrichtung kann es sich dabei beispielsweise um eine Wasserkühlung des Anlagenmantels handeln. Auf diese Weise kann die Temperatur im Bereich des Tiegels möglichst niedrig gehalten werden, was einem Zerfall des Nitrids aus dem Halbleitermaterial verhindert bzw. reduziert. Insbesondere kann dabei die Oberfläche der Schmelze möglichst auf Höhe der Kühlplatte positioniert werden bzw. umgekehrt. The cooling device can be, for example, water cooling of the system jacket. In this way, the temperature in the region of the crucible can be kept as low as possible, which prevents or reduces the decomposition of the nitride from the semiconductor material. In particular, the surface of the melt can be positioned at the level of the cooling plate, if possible, or vice versa.
Besonders zweckmäßig ist dabei auch, wenn eine Kühlleistung der Kühlplatte mittels einer Kühlplattenheizvorrichtung eingestellt oder geregelt wird. Damit wird eine genauere Einstellung bzw. Regelung der abgeführten Wärme möglich. Eine hierzu nötige Temperatur kann an geeigneter Stelle gemessen werden, beispielsweise mittels eines Temperatursensors, insbesondere eines pyrometrischen It is also particularly expedient if a cooling capacity of the cooling plate is set or regulated by means of a cooling plate heating device. This enables a more precise setting or control of the heat dissipated. A temperature required for this can be measured at a suitable point, for example by means of a temperature sensor, in particular a pyrometric one
Temperatursensors. Ohne eine solche Kühlplattenheizvorrichtung bzw. generell kann eine Kühlleistung der Kühlplatte auch durch deren Dicke (d.h. eine Ausdehnung in Schwerkraftrichtung gesehen) gewählt bzw. einmalig eingestellt werden. Temperature sensor. Without such a cooling plate heating device or in general, a cooling capacity of the cooling plate can also be selected or set once by its thickness (i.e. an expansion in the direction of gravity).
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass auf einer der Schmelze zugewandten Oberfläche des Tiegels Kristallnadeln aus dem Nitrid des Halbleitermaterials (also insbesondere aus Siliziumnitrid) gebildet bzw. gezüchtet werden. Ein solches Wachstum von Kristallen kann beispielsweise durch gezielte Änderung des Partialdrucks des erwähnten Schutzgases bzw. Neutralgases und/oder durch Änderung des Durchflusses des erwähnten Schutzgases bzw. Neutralgases durch die Vorrichtung variiert werden. Insbesondere bildet sich am Tiegel auf der Innenseite in etwa auf Höhe der Oberfläche der Schmelze eine Wulst aus dem Nitrid des Halbleitermaterials, an der dann gezielt weiter solche Kristalle angewachsen werden können. According to a further aspect of the invention, it is provided that crystal needles are formed or grown from the nitride of the semiconductor material (ie in particular from silicon nitride) on a surface of the crucible facing the melt. Such growth of crystals can be achieved, for example, by deliberately changing the partial pressure of the protective gas or neutral gas mentioned and / or by changing the flow of the protective gas or neutral gas mentioned can be varied by the device. In particular, a bead made of the nitride of the semiconductor material forms on the inside of the crucible at about the level of the surface of the melt, on which beads such crystals can then be selectively grown.
Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, wenn auf der der Schmelze zugewandten Oberfläche des Tiegels (d.h. auf dessen Innenseite) eine Beschichtung mit Kristallisationskeimen, insbesondere mit dreizähligen Kristallkanten, vorgesehen wird. Eine solche Schicht kann dabei mittels chemischer Gasphasenabscheidung (engl. "Chemical vapor deposition" bzw. CVD) erzeugt werden. Dies wird erreicht, indem CVD-Prozessbedingungen ein besonders starkes Kristallwachstum dieser Kristallrichtung erzeugen und sich so passend orientierte Keime durchsetzen. Damit ist es besonders gut und einfach zu erreichen, dass anschließend die Kristallnadeln in eine Richtung senkrecht zur Oberfläche des Tiegels wachsen, und so insgesamt besonders viele Kristallnadeln gebildet werden können und besonders viel Stickstoff darin gebunden werden kann. In this context, it is particularly preferred if a coating with crystallization nuclei, in particular with triple crystal edges, is provided on the surface of the crucible facing the melt (i.e. on the inside thereof). Such a layer can be produced by chemical vapor deposition (CVD). This is achieved by the fact that CVD process conditions produce particularly strong crystal growth in this crystal direction and so that appropriately oriented nuclei become established. This makes it particularly easy and easy to achieve that the crystal needles then grow in a direction perpendicular to the surface of the crucible, and so a total of a particularly large number of crystal needles can be formed and a particularly large amount of nitrogen can be bound therein.
Zudem ist es dabei bevorzugt, wenn über dem Tiegel eine den zu ziehenden In addition, it is preferred if one to be pulled over the crucible
Einkristall umgebende, weitere, insbesondere ringförmige, Heizvorrichtung Single, surrounding, further, in particular ring-shaped heating device
vorgesehen und betrieben (d.h. aktiv zum Heizen verwendet) wird. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass die erwähnten Kristallnadeln zu nahe an den zu ziehenden Einkristall heranwachsen, was zu unerwünschten Versetzungen im provided and operated (i.e. actively used for heating). In this way, it can be prevented that the mentioned crystal needles grow too close to the single crystal to be pulled, which leads to undesired dislocations in the
Einkristall führen könnte. Eine solche Heizvorrichtung kann dabei gezielt derart eingestellt bzw. geregelt werden, dass ein ausreichend breiter Bereich um den Einkristall frei von den Kristallnadeln bleibt. Ein zweckmäßig einzustellender Single crystal. Such a heating device can be specifically set or regulated in such a way that a sufficiently wide area around the single crystal remains free from the crystal needles. An expedient to set
Unterschied zwischen der Temperatur, insbesondere Strahlungstemperatur, der Oberfläche der Schmelze und der (niedrigeren) Umgebungstemperatur der Schmelze liegt bevorzugt zwischen 3°C und 8°C. Ein weiterer Punkt bei der Verwendung von Tiegeln aus einem Nitrid des The difference between the temperature, in particular the radiation temperature, the surface of the melt and the (lower) ambient temperature of the melt is preferably between 3 ° C. and 8 ° C. Another point when using crucibles made from a nitride
Halbleitermaterials ist, wie sich aus dem Vorstehenden auch ergibt, dass insgesamt möglichst wenig unnötige Wärme in das System, insbesondere den Tiegel, eingebracht werden sollte, um eine Degradation des Tiegels soweit als möglich zu vermeiden. Semiconductor material, as can also be seen from the foregoing, is that as little as possible unnecessary heat into the system, in particular the crucible, should be introduced in order to avoid degradation of the crucible as far as possible.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es daher vorgesehen, dass mittels einer Heizvorrichtung das feste und zu schmelzende Halbleitermaterial (das sich im Tiegel befindet) von oben (in Schwerkraftrichtung gesehen) und/oder der Tiegel von unten (ebenfalls in Schwerkraftrichtung gesehen) jeweils wenigstens teilweise durch mittels der Heizvorrichtung erzeugter Wärmestrahlung direkt erwärmt werden. Unter einer direkten Erwärmung ist hierbei zu verstehen, dass die von der Heizvorrichtung erzeugte Wärmestrahlung ungehindert auf die betreffende, zu erwärmende According to a further aspect of the invention, it is therefore provided that by means of a heating device the solid and meltable semiconductor material (which is located in the crucible) from above (seen in the direction of gravity) and / or the crucible from below (also seen in the direction of gravity) in each case at least partially heated directly by heat radiation generated by the heater. In this case, direct heating is to be understood to mean that the heat radiation generated by the heating device is unimpeded on the relevant one to be heated
Komponente trifft. Bei herkömmlichen Tiegeln aus Siliziumdioxid bzw. Quarz ist es üblich, mittels einer Heizvorrichtung, die den Tiegel seitlich bzw. umfänglich umgibt, das zu schmelzende Silizium indirekt zu erwärmen, nämlich indem mittels der Heizvorrichtung der Tiegel erwärmt wird. Ebenso sind in aller Regel andere  Component meets. In conventional crucibles made of silicon dioxide or quartz, it is customary to indirectly heat the silicon to be melted by means of a heating device which surrounds the crucible laterally or circumferentially, namely by heating the crucible by means of the heating device. Likewise, others are usually
Komponenten wie ein Suszpetor vorhanden, die dabei auch erwärmt werden und dann als unnötige bzw. unerwünschte Wärmequellen fungieren. Components such as a susceptor are present, which are also heated and then act as unnecessary or undesirable heat sources.
Durch die unmittelbare Erwärmung des zu schmelzenden Halbleitermaterials bzw. Siliziums im Tiegel durch die Wärmestrahlung wird also unerwünscht eingebrachte Wärme bzw. werden unerwünschte Wärmequellen weitgehend vermieden. Hierzu kann der Tiegel innerhalb der Vorrichtung zweckmäßigerweise in eine Heizposition verfahren werden. In dieser Heizposition ist bzw. wird die Heizvorrichtung dann insbesondere derart angeordnet, dass sie den Tiegel umgibt und an einem oberen Ende oberhalb des Tiegels, in Bezug auf die Schwerkraft, nach innen (insbesondere in radialer Richtung) gebogenen ist. Damit kann der Tiegel zum Schmelzen des Halbleitermaterials gezielt nach unten verfahren werden und durch die gebogene Heizvorrichtung kann das Halbleitermaterial gezielt direkt erwärmt und so As a result of the direct heating of the semiconductor material or silicon to be melted in the crucible by means of the thermal radiation, undesired heat or undesired heat sources are largely avoided. For this purpose, the crucible can expediently be moved into a heating position within the device. In this heating position, the heating device is or is in particular arranged in such a way that it surrounds the crucible and is bent inwards (in particular in the radial direction) at an upper end above the crucible with respect to gravity. The crucible for melting the semiconductor material can thus be moved downwards in a targeted manner and the curved material can be used to directly heat the semiconductor material and so on
geschmolzen werden. Anschließend kann der Tiegel wieder nach oben verfahren werden, sodass der Einkristall gezogen werden kann. be melted. The crucible can then be moved up again so that the single crystal can be pulled.
Weiterhin ist es in diesem Zusammenhang besonders bevorzugt, wenn der Tiegel auf einem Tragmittel angeordnet wird, das wenigstens eine Öffnung aufweist, sodass mittels der Heizvorrichtung der Tiegel durch mittels der Heizvorrichtung erzeugter Wärmestrahlung, die durch die wenigstens eine Öffnung tritt, direkt erwärmt wird. Bei einem solchen Tragmittel kann es sich beispielsweis um ein Rohr mit Öffnungen bzw. Ausnehmungen in den Rohrwänden handeln, sodass die Wärmestrahlung Furthermore, it is particularly preferred in this context if the crucible is arranged on a suspension element which has at least one opening, so that the crucible is generated by means of the heating device by means of the heating device Heat radiation that passes through the at least one opening is directly heated. Such a suspension element can be, for example, a tube with openings or recesses in the tube walls, so that the heat radiation
weitestgehend ungehindert und damit direkt den Tiegel erwärmen kann, ohne unnötig andere Komponenten zu erwärmen, die dann wieder als unerwünschte Wärmequellen in der Vorrichtung dienen würden. Anzumerken ist an dieser Stelle, dass dies insbesondere dann zweckmäßig ist, wenn der Tiegel nach oben verfahren ist, um den Einkristall zu ziehen. Eine direkte Erwärmung des Halbleitermaterials im Tiegel ist dann in aller Regel nämlich nicht mehr möglich, sodass also eine indirekte largely unhindered and thus can directly heat the crucible without unnecessarily heating other components, which would then again serve as undesirable heat sources in the device. It should be noted at this point that this is particularly expedient if the crucible has been moved upwards in order to pull the single crystal. Direct heating of the semiconductor material in the crucible is then generally no longer possible, which means indirect heating
Erwärmung des Halbleitermaterials über den Tiegel erfolgen muss. Durch die The semiconductor material must be heated via the crucible. Through the
Verwendung des vorgeschlagenen Tragmittels kann jedoch auch in diesem Fall unnötiger Wärmeeintrag weitestgehend vermieden werden. However, use of the proposed suspension means can be largely avoided in this case as well.
Um die vorgeschlagenen Schritte, die ein Einstellen oder Regeln von Werten bzw. Parametern erfordern, durchzuführen, kann insbesondere eine geeigneten In order to carry out the proposed steps, which require setting or regulating values or parameters, in particular a suitable one
Recheneinheit bzw. Steuereinheit verwendet werden. Computing unit or control unit can be used.
Jeder der erwähnten Aspekte trägt zur Lösung des erwähnten Problems bei Each of the aspects mentioned helps to solve the problem mentioned
Verwendung eines Tiegels aus Nitrid des Halbleitermaterials bei, indem eine Using a crucible made of nitride of the semiconductor material by using a
Degradation des Tiegels bzw. von dessen Material reduziert wird. Wenngleich diese verschiedenen Aspekte auch separat verwendet werden können, kann mit der Degradation of the crucible or its material is reduced. Although these different aspects can also be used separately, the
Verwendung mehrere dieser Aspekte, insbesondere auch aller dieser Aspekte, die Degradation deutlich besser reduziert werden. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus Halbleitermaterial, die einen Tiegel aufweist, in dem eine Schmelze vorhaltbar ist, aus der der Einkristall ziehbar ist, wobei der Tiegel wenigstens teilweise aus einem Nitrid des Halbleitermaterials besteht. Gemäß einem ersten Aspekt ist dabei die Vorrichtung derart eingerichtet, dass darin während eines Betriebs ein Partialdruck für Stickstoff auf einen Wert von wenigstens 0,1 mbar, vorzugsweise von wenigstens 1 mbar eingestellt oder eingeregelt wird. Hierzu kann beispielsweise eine Recheneinheit bzw. Steuereinheit vorgesehen sein. Gemäß einem weiteren Aspekt ist auf Höhe des Tiegels eine den Tiegel umgebende, insbesondere ringförmige, Kühlplatte vorgesehen, die in thermischem Kontakt mit einer die Kühlplatte und den Tiegel umgebenden Kühlvorrichtung steht. Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Vorrichtung derart eingerichtet, dass während eines Betriebs auf einer der Schmelze Using several of these aspects, especially all of these aspects, the degradation can be reduced significantly better. The invention further relates to a device for pulling a single crystal from semiconductor material, which has a crucible in which a melt from which the single crystal can be drawn can be kept, the crucible consisting at least partially of a nitride of the semiconductor material. According to a first aspect, the device is set up in such a way that a partial pressure for nitrogen is set or regulated therein during operation to a value of at least 0.1 mbar, preferably of at least 1 mbar. For this purpose, for example, a computing unit or control unit can be provided. According to a further aspect, at the level of the crucible is a cooling plate, in particular an annular one, surrounding the crucible provided, which is in thermal contact with a cooling device surrounding the cooling plate and the crucible. According to a further aspect, the device is set up such that during operation on one of the melts
zugewandten Oberfläche des Tiegels Kristallnadeln aus dem Nitrid des facing surface of the crucible crystal needles from the nitride of the
Halbleitermaterials gebildet werden. Auch hier kann die erwähnte bzw. eine weitere Recheneinheit bzw. Steuereinheit vorgesehen sein. Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Heizvorrichtung vorgesehen ist, die derart angeordnet ist, dass das feste und zu schmelzende Halbleitermaterial von oben und/oder der Tiegel von unten jeweils wenigstens teilweise durch mittels der Heizvorrichtung erzeugter Wärmestrahlung direkt erwärmbar sind. Semiconductor material are formed. The mentioned or a further computing unit or control unit can also be provided here. According to a further aspect, a heating device is provided which is arranged in such a way that the solid and meltable semiconductor material from above and / or the crucible from below can each be at least partially heated directly by heat radiation generated by the heating device.
Hinsichtlich der weiteren bevorzugten Ausgestaltungen sowie der Vorteile der With regard to the further preferred configurations and the advantages of
Vorrichtung, insbesondere auch hinsichtlich der einzelnen Aspekte, sei zur Device, in particular with regard to the individual aspects, is for
Vermeidung von Wiederholungen auf obige Ausführungen zum Verfahren verwiesen, die hier entsprechend gelten. Es sei jedoch auch an dieser Stelle nochmals Avoid repetition, refer to the above explanations of the procedure, which apply here accordingly. However, it is also here again
angemerkt, dass diese verschiedenen Aspekte separat verwendet werden können, jedoch auch Verwendung mehrere dieser Aspekte, insbesondere auch aller Aspekte, möglich und bevorzugt ist. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium, die von einem erfindungsgemäß hergestellten Einkristall, beispielsweise mittels einer Drahtsäge, abgetrennt wird. Die Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium hat einen Durchmesser von vorzugsweise mindestens 300 mm und einen Sauerstoffanteil von weniger als 1x1016 Atome pro cm3, wobei der Sauerstoffanteil gemäß der Norm new ASTM zu verstehen ist. Durch die Verwendung eines Tiegels aus einem Nitrid des Halbleitermaterials ist ein besonders geringer Sauerstoffanteil im Einkristall erreichbar. noted that these different aspects can be used separately, but use of several of these aspects, in particular also all aspects, is possible and preferred. The invention further relates to a semiconductor wafer made of single-crystal silicon, which is separated from a single crystal produced according to the invention, for example by means of a wire saw. The semiconductor wafer made of single-crystal silicon preferably has a diameter of at least 300 mm and an oxygen content of less than 1 × 10 16 atoms per cm 3 , the oxygen content being understood in accordance with the new ASTM standard. By using a crucible made of a nitride of the semiconductor material, a particularly low proportion of oxygen in the single crystal can be achieved.
Typisch für einkristallines Halbleitermaterial aus Silizium, das nach dem Typical for single-crystalline semiconductor material made of silicon
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird, ist ein Stickstoffgehalt von über 1x1015 Atome pro cm3. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der is produced is a nitrogen content of over 1x10 15 atoms per cm 3 . Further advantages and refinements of the invention result from the
Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung. Description and the accompanying drawing.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the combination indicated in each case, but also in other combinations or on their own without departing from the scope of the present invention.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. The invention is shown schematically in the drawing using an exemplary embodiment and is described below with reference to the drawing.
Figurenbeschreibung figure description
Figur 1 zeigt schematisch im Längsschnitt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in bevorzugter Ausführungsform, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Figure 1 shows schematically in longitudinal section a device according to the invention in a preferred embodiment, with which a method according to the invention can be carried out.
Figur 2 zeigt schematisch die Vorrichtung aus Figur 1 in einer anderen Position. Figur 3 zeigt ein Phasendiagramm für Silizium bzw. Siliziumnitrid in Abhängigkeit von Temperatur und Stickstoffpartialdruck. Figure 2 shows schematically the device of Figure 1 in a different position. FIG. 3 shows a phase diagram for silicon or silicon nitride as a function of temperature and nitrogen partial pressure.
Figur 4 zeigt schematisch einen Teil eines Tiegels einer erfindungsgemäßen Figure 4 shows schematically part of a crucible of an inventive
Vorrichtung in bevorzugter Ausführungsform.  Device in a preferred embodiment.
Figur 5 zeigt schematisch eine Beschichtung einer Oberfläche eines Tiegels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in bevorzugter Ausführungsform. Figure 5 shows schematically a coating of a surface of a crucible of a device according to the invention in a preferred embodiment.
In Figur 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 in bevorzugter Ausführungsform dargestellt, die zum Ziehen eines Einkristalls dient. Mit dieser Vorrichtung 100 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar, welches in bevorzugter Ausführungsform im Folgenden anhand der Vorrichtung 100 näher erläutert werden soll. In Figur 2 ist die Vorrichtung 100 aus Figur 1 in einer anderen Position während der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Im Folgenden sollen die Figuren 1 und 2 übergreifend beschrieben werden. FIG. 1 schematically shows a device 100 according to the invention in a preferred embodiment, which is used to pull a single crystal. With this device 100, a method according to the invention can be carried out, which in a preferred embodiment is to be explained in more detail below with the aid of the device 100. FIG. 2 shows the device 100 from FIG. 1 in a different position while a method according to the invention is being carried out. In the following, Figures 1 and 2 will be described in a comprehensive manner.
In der Vorrichtung 100 ist ein Tiegel 130 angeordnet, in den festes Halbleitermaterial eingebracht werden kann. Im gezeigten Beispiel in Figur 1 ist Halbleitermaterial mit dem Bezugszeichen 153 angedeutet und es handelt sich beispielsweise um Silizium, hier in Form einer Schüttung, d.h. in Form vieler einzelner Stücke, hier polykristalliner Stücke. Der Tiegel 130 besteht hierbei zumindest teilweise, insbesondere aber vollständig, aus einem Nitrid des Flalbleitermaterials, also beispielsweise Siliziumnitrid (Si3N4). A crucible 130 is arranged in the device 100, into which solid semiconductor material can be introduced. In the example shown in FIG. 1, semiconductor material is indicated by reference numeral 153 and is, for example, silicon, here in the form of a bed, ie in the form of many individual pieces, here polycrystalline pieces. The crucible 130 in this case consists at least partially, but in particular completely, of a nitride of the flalbonductor material, that is to say, for example, silicon nitride (Si 3 N 4 ).
Dieses feste Halbleitermaterial wird geschmolzen, sodass sich in dem Tiegel 130 eine Schmelze bzw. geschmolzenes Halbleitermaterial 154 ergibt, wie in Figur 2 gezeigt ist. Flierzu ist eine Heizvorrichtung 135 vorgesehen, die den Tiegel 130 umgibt. Bei dieser Heizvorrichtung 135 kann es sich beispielsweise um einen Ofen oder dergleichen handeln. Über dem Halbleitermaterial 153 bzw. der Schmelze 154 und dem Tiegel 130 ist ein Hitzeschild 136 angebracht, das dazu dienen kann, die später von der Schmelze 154 abgegebene Wärme zurückzuhalten, um so den Energieverbrauch zu senken. This solid semiconductor material is melted, so that a melt or melted semiconductor material 154 results in the crucible 130, as shown in FIG. 2. For this purpose, a heating device 135 is provided which surrounds the crucible 130. This heating device 135 can be, for example, an oven or the like. A heat shield 136 is attached above the semiconductor material 153 or the melt 154 and the crucible 130, which heat shield can serve to retain the heat that is later emitted by the melt 154, so as to reduce the energy consumption.
Aus der Schmelze kann dann später unter Verwendung einer Ziehvorrichtung 140 ein Einkristall 150, wie er in Figur 1 teilweise zu sehen bzw. andeutet ist, gebildet werden. Eine detailliertere Beschreibung des Ziehens des Kristalls soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht erfolgen, da diese sich im Grunde nicht von bekannten Verfahren unterscheidet. In der in Figur 1 dargestellten Position des Tiegels 130, einer Heizposition PH, kann mittels der Heizvorrichtung 135 erzeugte Wärmestrahlung, hier mit einem Pfeil W angedeutet, direkt das feste Halbleitermaterial 153 erwärmen. Die Heizvorrichtung 135 ist hierzu an einem oberen Ende bzw. Bereich radial nach innen gebogen, sodass die Wärmestrahlung W das feste Halbleitermaterial 153 direkter und großflächiger erreichen kann. Auf diese Weise kann eine indirekte Erwärmung des festen A single crystal 150, as can be partially seen or indicated in FIG. 1, can then later be formed from the melt using a pulling device 140. A more detailed description of the pulling of the crystal is not intended to be given within the scope of the present invention, since this basically does not differ from known methods. In the position of the crucible 130 shown in FIG. 1, a heating position PH, heat radiation generated by the heating device 135, here indicated by an arrow W, can directly heat the solid semiconductor material 153. For this purpose, the heating device 135 is bent radially inwards at an upper end or region, so that the heat radiation W can reach the solid semiconductor material 153 more directly and over a large area. In this way, indirect heating of the solid
Halbleitermaterial 153 über den Tiegel 130 bzw. dessen Wandung reduziert werden, was zu unerwünschten Wärmequellen innerhalb der Vorrichtung führen würde und damit zur Degradation des Tiegels 130 beitragen würde. Es versteht sich, dass der Tiegel 130 hierzu in geeigneter Weise in die Heizposition PH verfahren werden können muss. Semiconductor material 153 can be reduced via the crucible 130 or its wall, which would lead to undesirable heat sources within the device and thus would contribute to the degradation of the crucible 130. It goes without saying that the crucible 130 must be able to be moved into the heating position PH in a suitable manner.
Nachdem das feste Halbleitermaterial 153 geschmolzen wurde und die Schmelze 154 gebildet wurde, kann der Tiegel in eine Ziehposition PZ verfahren werden, in welcher der Einkristall 150 aus der Schmelze 154 gezogen werden kann, wie dies in Figur 2 gezeigt ist. After the solid semiconductor material 153 has been melted and the melt 154 has been formed, the crucible can be moved into a pulling position PZ, in which the single crystal 150 can be pulled out of the melt 154, as shown in FIG. 2.
Der Tiegel 130 ist auf einem Tragmittel 161 , beispielsweise in Form eines Rohres oder dergleichen, angeordnet, welches wiederum in bzw. auf einer Auffangwanne 160 angeordnet ist. In dem Tragmittel 161 sind nun Öffnungen vorgesehen, hier beispielhaft mit 162 bezeichnet. Diese Öffnungen 162 erstrecken sich vorzugsweise um wenigstens 50 % des Umfanges (bezogen auf eine Achse in Schwerkraftrichtung) des Tragmittels 161. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass Wärmestrahlung W, die mittels der Heizvorrichtung 135 erzeugt wird, insbesondere in der Ziehposition PZ, direkt den Tiegel 130 bzw. dessen Wandung erreichen kann, und zwar insbesondere auch an Stellen bzw. Bereichen, die bei Verwendung herkömmlicher Tragmittel verdeckt wären. Auf diese Weise können unerwünschte Wärmequellen innerhalb der Vorrichtung vermieden bzw. reduziert werden, was andernfalls zur Degradation des Tiegels 130 beitragen würde. The crucible 130 is arranged on a support means 161, for example in the form of a tube or the like, which in turn is arranged in or on a collecting trough 160. Openings are now provided in the suspension means 161, designated 162 here by way of example. These openings 162 preferably extend at least 50% of the circumference (with respect to an axis in the direction of gravity) of the suspension element 161. In this way it can be achieved that heat radiation W, which is generated by means of the heating device 135, in particular in the pulling position PZ, directly can reach the crucible 130 or its wall, in particular also at locations or areas that would be covered using conventional suspension means. In this way, undesirable heat sources within the device can be avoided or reduced, which would otherwise contribute to the degradation of the crucible 130.
Weiterhin ist in der Vorrichtung 100 eine Kühlvorrichtung 120 vorgesehen, die den Tiegel 130 umgibt und bei der es sich beispielsweise um eine Wasserkühlung handeln kann. Weiterhin ist eine ringförmige Kühlplatte 121 vorgesehen, die ebenfalls den Tiegel 130 umgibt (zumindest in der in Figur 2 dargestellten Position) und die mit der Kühlvorrichtung 120 in thermischem Kontakt steht. Die Kühlplatte weist dabei insbesondere ein thermisch gut leitfähiges Material auf, beispielsweise Platten aus isostatisch gepresstem Grafit. Oberhalb der Kühlplatte 121 sind mehrere Platten 122 aus thermisch isolierendem Material, beispielsweise Furthermore, a cooling device 120 is provided in the device 100, which surrounds the crucible 130 and which can be, for example, water cooling. Furthermore, an annular cooling plate 121 is provided, which likewise surrounds the crucible 130 (at least in the position shown in FIG. 2) and which is in thermal contact with the cooling device 120. The cooling plate in particular has a thermally highly conductive material, for example plates made of isostatically pressed graphite. Above the cooling plate 121 are a number of plates 122 made of thermally insulating material, for example
Kohlenstoff-Filz bzw. Kohlenstoff-Hartfilz, vorgesehen. Auf diese Weise kann in dem Tiegel 130 bzw. der Schmelze 154 entstehende bzw. vorhandene Wärme besonders effektiv und schnell abgeführt werden, wie dies mittels eines Pfeiles F, der einen Wärmefluss darstellt, angedeutet ist. Durch die Verwendung der Platten 122 kann der Wärmefluss gezielt nach außen geführt werden Carbon felt or carbon hard felt provided. In this way, heat that is generated or present in the crucible 130 or the melt 154 can be dissipated particularly effectively and quickly, as is indicated by an arrow F, which represents a heat flow. By using the plates 122, the heat flow can be directed to the outside
Zudem ist eine Kühlplattenheizvorrichtung 125 vorgesehen, mittels welcher die Kühlleistung der Kühlplatte 121 eingestellt bzw. geregelt werden kann. Insbesondere kann damit eine maximale Leistung, auf welche die Kühlplatte in Verbindung mit der Kühlvorrichtung 120 ausgelegt ist, gezielt reduziert werden, falls nötig. In addition, a cooling plate heating device 125 is provided, by means of which the cooling capacity of the cooling plate 121 can be adjusted or regulated. In particular, a maximum output, to which the cooling plate is designed in connection with the cooling device 120, can be specifically reduced, if necessary.
Weiterhin ist in der Vorrichtung 100 eine weitere, insbesondere ringförmige, Furthermore, the device 100 contains a further, in particular annular,
Heizvorrichtung 138 vorgesehen, die einer Oberfläche der Schmelze 154 zugewandt ist und den zu ziehenden Einkristall 150 umgibt. Mittels dieser weiteren Heating device 138 is provided, which faces a surface of the melt 154 and surrounds the single crystal 150 to be pulled. By means of this further
Heizvorrichtung 138 kann erreicht werden, dass Kristallnadeln, die in der Schmelze und an der der Schmelze zugewandten Oberfläche des Tiegels gebildet werden, nicht zu weit an den Einkristall 150 heranwachsen. Hierzu sei auch noch auf die Heating device 138 can ensure that crystal needles, which are formed in the melt and on the surface of the crucible facing the melt, do not grow too far to the single crystal 150. For this purpose, also on the
Ausführungen zu den Figuren 4 und 5 verwiesen. Reference made to Figures 4 and 5.
In Figur 3 ist ein Phasendiagramm für Silizium bzw. Siliziumnitrid dargestellt, wobei ein Druck p in mbar und logarithmischer Darstellung für einen Partialdruck von Stickstoff über einer Temperatur T in °C aufgetragen ist. Dabei sind drei Phasen gezeigt, wobei P1 eine Phase festen Siliziumnitrids (ShNU), P2 eine Phase festen Siliziums und P3 eine Phase flüssigen Siliziums zeigen. Anhand dieses Phasendiagramms sind Abhängigkeiten der Umwandlung von Silizium zu Siliziumnitrid sowohl von der Temperatur T als auch dem Partialdruck von FIG. 3 shows a phase diagram for silicon or silicon nitride, a pressure p in mbar and a logarithmic representation for a partial pressure of nitrogen over a temperature T in ° C. being plotted. Three phases are shown, with P1 showing a phase of solid silicon nitride (ShNU), P2 showing a phase of solid silicon and P3 showing a phase of liquid silicon. This phase diagram shows the dependencies of the conversion from silicon to silicon nitride on both the temperature T and the partial pressure of
Stickstoff P erkennbar. Anhand dieses Phasendiagramms ist zu erkennen, dass bei einer Temperatur höher als der Schmelztemperatur von Silizium (hier in etwa 1420°C), ein gewisser Nitrogen P recognizable. This phase diagram shows that at a temperature higher than the melting temperature of silicon (here around 1420 ° C), a certain
Partialdruck für Stickstoff zweckmäßig ist, um in einem Bereich (möglichst nahe dem Tripelpunkt) zu bleiben, in dem alle beteiligten Phasen stabil sind, oder die Partial pressure for nitrogen is appropriate to remain in a range (as close as possible to the triple point) in which all phases involved are stable, or the
Umwandlung technisch irrelevant langsam verlauft. Besonders die Umwandlungen von Siliziumnitrid zu Silizium und Stickstoff, sowie die Umwandlung von flüssigem Silizium in Siliziumnitrid sind unerwünscht. Allein die Umwandlung von flüssigem Silizium in kristallines, also festes Silizium ist der erwünschte Vorgang. Insbesondere ein Bereich zwischen 1 mbar und 10 mbar, besonders bevorzugt zwischen 2 mbar und 5 mbar, eignet sich hierfür besonders gut. Dies gilt Conversion technically irrelevant is slow. In particular, the conversions from silicon nitride to silicon and nitrogen, and the conversion from liquid silicon to silicon nitride are undesirable. The conversion of liquid silicon into crystalline, i.e. solid silicon, is the desired process. In particular, a range between 1 mbar and 10 mbar, particularly preferably between 2 mbar and 5 mbar, is particularly suitable for this. this applies
insbesondere dann, wenn die Temperatur der Schmelze, beispielsweise durch die anderen, im Rahmen der Erfindung vorgestellten Maßnahmen, möglichst knapp über der Erstarrungstemperatur von Silizium gehalten wird. in particular when the temperature of the melt is kept as close as possible above the solidification temperature of silicon, for example by the other measures presented in the context of the invention.
Der hierzu nötige Stickstoff kann beispielsweise über die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Öffnungen 101 in die Vorrichtung 100 eingebracht und mittels einer als Steuer- bzw. Regeleinheit ausgebildeten Recheneinheit 110 eingestellt bzw. geregelt werden. Im Übrigen kann die Atmosphäre in der Vorrichtung ein Neutralgas wie Argon enthalten, wie dies eingangs bereits näher erläutert wurde. The nitrogen required for this can, for example, be introduced into the device 100 via the openings 101 shown in FIGS. 1 and 2 and set or regulated by means of a computing unit 110 designed as a control or regulating unit. In addition, the atmosphere in the device can contain a neutral gas such as argon, as has already been explained in more detail at the beginning.
In Figur 4 ist schematisch ein Teil eines Tiegels 130 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in bevorzugter Ausführungsform dargestellt, wie sie beispielsweise in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist. FIG. 4 schematically shows part of a crucible 130 of a device according to the invention in a preferred embodiment, as is shown for example in FIGS. 1 and 2.
Hierbei ist zu sehen, dass sich auf einer der Schmelze zugewandten Oberfläche 131 des Tiegels 130 auf Flöhe der Oberfläche 151 der Schmelze eine Wulst 155 bildet. Flintergrund ist hierzu, dass durch die Entnahme von Silizium aus der Schmelze zur Bildung des Einkristalls der Anteil an Stickstoff in der Schmelze erhöht wird. Damit bildet sich ein Ungleichgewicht, das sich in der Bildung von kristallinem Siliziumnitrid niederschlägt. Frei in der Schmelze und frei auf der Schmelzoberfläche treibende Kristalle aus Siliziumnitrid sind unerwünscht, da diese zum Versetzen des Einkristalls führen können. Deshalb werden nun gezielt - an dieser Wulst 155 - Kristallnadeln aus Siliziumnitrid an der Oberfläche 131 gebildet. Dies geschieht dadurch, dass die Tiegelwand an dieser Stelle durch die Kühlplatte an der Außenseite gekühlt wird und dadurch auch die Innenseite und lokal die daran anliegende Schmelze aus Halbleitermaterial gekühlt wird. Durch diese Kühlung wird nur die Kristallisation von Siliziumnitrid ermöglicht. Indem die Temperatur höher bleibt als die Erstarrungstemperatur von Silizium kann an dieser Stelle nur das Siliziumnitrid an bereits bestehenden Keimen kristallisieren. Diese Kristallnadeln bilden darüber hinaus ein Geflecht in dem sich eventuell doch sporadisch entstehende frei treibende Kristalle verfangen und dadurch unschädlich werden. It can be seen here that a bulge 155 forms on a surface 131 of the crucible 130 facing the melt on fleas of the surface 151 of the melt. The background to this is that the removal of silicon from the melt to form the single crystal increases the proportion of nitrogen in the melt. This creates an imbalance, which is reflected in the formation of crystalline silicon nitride. Crystals made of silicon nitride that float freely in the melt and float freely on the melt surface are undesirable since these can lead to dislocation of the single crystal. For this reason, crystal needles made of silicon nitride are specifically formed on the surface 131 on this bead 155. This takes place in that the crucible wall is cooled at this point by the cooling plate on the outside and thereby also the inside and locally the melt of semiconductor material lying thereon is cooled. This cooling only enables the crystallization of silicon nitride. By keeping the temperature higher than the solidification temperature of silicon, only the silicon nitride can crystallize on existing germs at this point. In addition, these crystal needles form a meshwork in which floating crystals, which may arise sporadically, get caught and thus become harmless.
Die Kühlposition bleibt immer auf Höhe des Schmelzenspiegels, da der Tiegel während des Kristallziehens stetig weiter nach oben gefahren werden muss. Deshalb entstehen Kristallnadeln über die gesamte Höhe der von der Schmelzoberfläche bestrichenen Tiegelinnenwand. Solche Kristallnadeln sind beispielhaft mit 156 bezeichnet. The cooling position always remains at the level of the melt, since the crucible has to be moved continuously upwards during crystal pulling. Therefore, crystal needles are created over the entire height of the inner wall of the crucible, which is smeared by the melting surface. Such crystal needles are designated 156 by way of example.
Damit kann insgesamt erreicht werden, dass der Bereich der Schmelze, in dem der Einkristall gebildet bzw. gezogen wird, möglichst frei von solchen frei treibenden Kristallen ist, sodass möglichst keine Versetzungen im Einkristall auftreten. Overall, it can thus be achieved that the region of the melt in which the single crystal is formed or drawn is as free as possible from such floating crystals, so that dislocations in the single crystal occur as far as possible.
In Figur 5 ist eine Beschichtung 170 einer Oberfläche eines Tiegels einer 5 shows a coating 170 of a surface of a crucible
erfindungsgemäßen Vorrichtung in bevorzugter Ausführungsform, wie sie Device according to the invention in a preferred embodiment, as it
beispielsweise in Figur 4 gezeigt ist, dargestellt. Bei dieser Beschichtung 170 handelt es sich insbesondere um eine CVD-Schicht mit Kristallisationskeimen 171 , die besonders bevorzugt dreizählige Kristallecken aufweisen, wie beispielhaft mit 172 bezeichnet. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die an der Oberfläche des Tiegels zu bildenden Kristallnadeln möglichst senkrecht zur Tiegelwand an der Schmelzoberfläche nach innen wachsen. is shown, for example, in FIG. This coating 170 is, in particular, a CVD layer with crystallization nuclei 171, which particularly preferably have triple crystal corners, as designated by way of example at 172. This way can be achieved be that the crystal needles to be formed on the surface of the crucible grow inwards as perpendicularly as possible to the crucible wall on the melting surface.
Durch die Verwendung der in Bezug auf die Figuren 1 und 2 erläuterten, weiteren, insbesondere ringförmigen Heizvorrichtung, die den Einkristall umgibt, kann zudem erreicht werden, dass diese Kristallnadeln nicht zu nahe an den Einkristall By using the further, in particular annular heating device, which is explained with reference to FIGS. 1 and 2 and surrounds the single crystal, it can also be achieved that these crystal needles are not too close to the single crystal
heranwachsen, sodass etwaige Versetzungen im Einkristall vermieden werden. grow so that any dislocations in the single crystal are avoided.
Insgesamt kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren bzw. der vorgeschlagenen Vorrichtung ein besonders sauerstoffarmer Einkristall, vorzugsweise ein Einkristall aus Silizium gebildet werden, da trotz der Verwendung von beispielsweise Overall, the proposed method and the proposed device can be used to form a particularly low-oxygen single crystal, preferably a single crystal made of silicon, because despite the use of, for example
Siliziumnitrid als Material für den Tiegel die dabei auftretenden Probleme bzw. Silicon nitride as a material for the crucible the problems that arise or
Nachteile, wie sie eingangs erwähnt wurden, weitgehend reduziert bzw. vermieden werden können. Disadvantages, as mentioned at the beginning, can be largely reduced or avoided.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls (150) aus Halbleitermaterial unter Verwendung einer Vorrichtung (100) mit einem Tiegel, die zum Ziehen des Einkristalls (150) aus einer Schmelze (154) in dem Tiegel (130) dient, 1. A method for pulling a single crystal (150) from semiconductor material using a device (100) with a crucible, which is used to pull the single crystal (150) from a melt (154) in the crucible (130),
wobei als Tiegel (130) ein Tiegel verwendet wird, der wenigstens teilweise aus einem Nitrid des Halbleitermaterials besteht,  wherein a crucible is used as the crucible (130), which consists at least partially of a nitride of the semiconductor material,
dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorrichtung (100) ein Partialdruck (p) für Stickstoff auf einen Wert von wenigstens 0,1 mbar eingestellt oder eingeregelt wird, und/oder  characterized in that in the device (100) a partial pressure (p) for nitrogen is set or regulated to a value of at least 0.1 mbar, and / or
dass auf Höhe des Tiegels (130) eine den Tiegel umgebende, insbesondere ringförmige, Kühlplatte (121 ) vorgesehen wird, die in thermischem Kontakt mit einer die Kühlplatte (121 ) und den Tiegel (130) umgebenden Kühlvorrichtung (120) steht, und/oder  that at the level of the crucible (130) a cooling plate (121) surrounding the crucible is provided, which is in thermal contact with a cooling device (120) surrounding the cooling plate (121) and the crucible (130), and / or
dass auf einer der Schmelze zugewandten Oberfläche (131 ) des Tiegels that on a surface (131) of the crucible facing the melt
Kristallnadeln (156) aus dem Nitrid des Halbleitermaterials gebildet werden, und/oder dass mittels einer Heizvorrichtung (135) das feste und zu schmelzende Crystal needles (156) are formed from the nitride of the semiconductor material, and / or that the solid and to be melted by means of a heating device (135)
Halbleitermaterial (153) von oben und/oder der Tiegel (130) von unten jeweils wenigstens teilweise durch mittels der Heizvorrichtung erzeugter Wärmestrahlung (W) direkt erwärmt werden. Semiconductor material (153) from above and / or the crucible (130) from below are each at least partially heated directly by heat radiation (W) generated by the heating device.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei in der Vorrichtung (100) der Partialdruck (p) für Stickstoff auf einen Wert zwischen 1 mbar und 10 mbar, bevorzugt zwischen 2 mbar und 5 mbar, eingestellt oder eingeregelt wird. 2. The method according to claim 1, wherein in the device (100) the partial pressure (p) for nitrogen is set to a value between 1 mbar and 10 mbar, preferably between 2 mbar and 5 mbar.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in der Vorrichtung (100) der 3. The method according to claim 1 or 2, wherein in the device (100) of
Partialdruck (p) für Stickstoff auf einen Wert von wenigstens 1 mbar eingestellt oder eingeregelt wird, und wobei in der Vorrichtung (100) ein Gesamtdruck der Partial pressure (p) for nitrogen is set or regulated to a value of at least 1 mbar, and wherein in the device (100) a total pressure of
Atmosphäre auf einen Wert von wenigstens 50 mbar, bevorzugt wenigstens 200 mbar, eingestellt oder eingeregelt wird. Atmosphere is set or regulated to a value of at least 50 mbar, preferably at least 200 mbar.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei in der Atmosphäre neben Stickstoff wenigstens ein Neutralgas, insbesondere Argon, vorgesehen wird. 4. The method according to claim 3, wherein at least one neutral gas, in particular argon, is provided in the atmosphere in addition to nitrogen.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei auf Höhe des Tiegels (130) die den Tiegel umgebende Kühlplatte (121 ) vorgesehen wird, die in thermischem Kontakt mit einer die Kühlplatte (121 ) und den Tiegel (130) umgebenden Kühlvorrichtung (120) steht, und wobei eine Kühlleistung der Kühlplatte mittels einer Kühlplattenheizvorrichtung (125) eingestellt oder geregelt wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein at the level of the crucible (130) the cooling plate (121) surrounding the crucible is provided, which in thermal contact with a cooling device (120) and the crucible (130) surrounding cooling device (120) stands, and wherein a cooling capacity of the cooling plate is adjusted or regulated by means of a cooling plate heating device (125).
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei auf der der 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein on the
Schmelze zugewandten Oberfläche (131 ) des Tiegels Kristallnadeln aus dem Nitrid des Halbleitermaterials gebildet werden, indem auf der der Schmelze zugewandten Oberfläche (131 ) des Tiegels eine Beschichtung mit Kristallisationskeimen (171 ) , insbesondere mit dreizähligen Kristall kanten (172), vorgesehen wird. Melt-facing surface (131) of the crucible crystal needles are formed from the nitride of the semiconductor material by providing a coating with crystallization nuclei (171), in particular with triple crystal edges (172), on the melt-facing surface (131) of the crucible.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei auf der der 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein on the
Schmelze zugewandten Oberfläche (131 ) des Tiegels Kristallnadeln (156) aus dem Nitrid des Halbleitermaterials gebildet werden, und wobei über dem Tiegel (130) eine den zu ziehenden Einkristall (150) umgebende, weitere, insbesondere ringförmige, Heizvorrichtung (138) vorgesehen und betrieben wird. Melt-facing surface (131) of the crucible, crystal needles (156) are formed from the nitride of the semiconductor material, and a further, in particular annular, heating device (138), which surrounds the single crystal (150) to be drawn, is provided and operated above the crucible (130) becomes.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mittels der 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein by means of
Heizvorrichtung (135) das feste und zu schmelzende Halbleitermaterial (153) von oben durch mittels der Heizvorrichtung erzeugter Wärmestrahlung (W) direkt erwärmt wird, indem der Tiegel (130) innerhalb der Vorrichtung (100) in einer Heizposition (PH) positioniert wird. Heating device (135) the solid and to be melted semiconductor material (153) is heated directly from above by heat radiation (W) generated by the heating device by positioning the crucible (130) within the device (100) in a heating position (PH).
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Heizvorrichtung (135) derart angeordnet wird, dass sie den Tiegel (130) umgibt und in der Heizposition (PH) an einem oberen Ende oberhalb des Tiegels, nach innen gebogenen ist. 9. The method according to claim 8, wherein the heating device (135) is arranged such that it surrounds the crucible (130) and is bent inwards in the heating position (PH) at an upper end above the crucible.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mittels der 10. The method according to any one of the preceding claims, wherein by means of
Heizvorrichtung (135) der Tiegel von unten durch mittels der Heizvorrichtung erzeugter Wärmestrahlung (W) direkt erwärmt wird, indem der Tiegel auf einem Tragmittel (161 ) angeordnet wird, das wenigstens eine Öffnung (162) aufweist, sodass mittels der Heizvorrichtung der Tiegel durch mittels der Heizvorrichtung erzeugter Wärmestrahlung (W), die durch die wenigstens eine Öffnung (162) tritt, direkt erwärmt wird. Heating device (135) the crucible is heated directly from below by heat radiation (W) generated by the heating device, by arranging the crucible on a support means (161) which has at least one opening (162), so that the crucible by means of the heating device of the heating device generated heat radiation (W), which passes through the at least one opening (162), is directly heated.
11. Vorrichtung (100) zum Ziehen eines Einkristalls (150) aus Halbleitermaterial, mit einem Tiegel (130), in dem eine Schmelze (154) vorhaltbar ist, aus der der Einkristall (150) ziehbar ist, 11. Device (100) for pulling a single crystal (150) from semiconductor material, with a crucible (130) in which a melt (154) can be kept, from which the single crystal (150) can be pulled,
wobei der Tiegel (130) wenigstens teilweise aus einem Nitrid des  wherein the crucible (130) is at least partially made of a nitride of the
Halbleitermaterials besteht,  Semiconductor material,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) derart eingerichtet ist, dass darin während eines Betriebs ein Partialdruck (p) für Stickstoff auf einen Wert von wenigstens 0,1 mbar eingestellt oder eingeregelt wird, und/oder  characterized in that the device (100) is set up in such a way that a partial pressure (p) for nitrogen is set or regulated to a value of at least 0.1 mbar during operation, and / or
dass auf Höhe des Tiegels (130) eine den Tiegel umgebende, insbesondere ringförmige, Kühlplatte (121 ) vorgesehen ist, die in thermischem Kontakt mit einer die Kühlplatte (121 ) und den Tiegel (130) umgebenden Kühlvorrichtung (120) steht, und/oder  that at the level of the crucible (130) a cooling plate (121) surrounding the crucible is provided, which is in thermal contact with a cooling device (120) surrounding the cooling plate (121) and the crucible (130), and / or
dass die Vorrichtung (100) derart eingerichtet ist, dass während eines Betriebs auf einer der Schmelze zugewandten Oberfläche (131 ) des Tiegels Kristallnadeln (156) aus dem Nitrid des Halbleitermaterials gebildet werden, und/oder  that the device (100) is set up in such a way that crystal needles (156) are formed from the nitride of the semiconductor material during operation on a surface (131) of the crucible facing the crucible, and / or
dass eine Heizvorrichtung (135) vorgesehen ist, die derart angeordnet ist, dass das feste und zu schmelzende Halbleitermaterial (153) von oben und/oder der Tiegel (130) von unten jeweils wenigstens teilweise durch mittels der Heizvorrichtung erzeugter Wärmestrahlung (W) direkt erwärmbar sind.  that a heating device (135) is provided which is arranged in such a way that the solid and meltable semiconductor material (153) from above and / or the crucible (130) from below can each be at least partially heated directly by heat radiation (W) generated by the heating device are.
12. Vorrichtung (100) nach Anspruch 11 , wobei auf Höhe des Tiegels (130) die den Tiegel umgebende, insbesondere ringförmige, Kühlplatte (121 ) vorgesehen ist, die in thermischem Kontakt mit einer die Kühlplatte (121 ) und den Tiegel (130) umgebenden Kühlvorrichtung (120) steht, und wobei eine Kühlplattenheizvorrichtung (125) zur Einstellung oder Regelung einer Kühlleistung der Kühlplatte (121 ) vorgesehen ist. 12. The device (100) according to claim 11, wherein at the level of the crucible (130) the surrounding, particularly annular, cooling plate (121) is provided, which is in thermal contact with the cooling plate (121) and the crucible (130) surrounding cooling device (120), and wherein a cooling plate heating device (125) is provided for setting or regulating a cooling capacity of the cooling plate (121).
13. Vorrichtung (100) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Vorrichtung (100) derart eingerichtet ist, dass auf der der Schmelze zugewandten Oberfläche (131 ) des Tiegels Kristallnadeln (156) aus dem Nitrid des Halbleitermaterials gebildet werden, und wobei auf der der Schmelze zugewandten Oberfläche (131 ) des Tiegels eine Beschichtung mit Kristallisationskeimen (171 ), insbesondere mit dreizähligen 13. The device (100) according to claim 11 or 12, wherein the device (100) is set up in such a way that crystal needles (156) are formed from the nitride of the semiconductor material on the melt-facing surface (131) of the crucible, and wherein on the the melt facing surface (131) of the crucible a coating with crystallization nuclei (171), in particular with triple
Kristallkanten (172), vorgesehen ist. Crystal edges (172) is provided.
14. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Vorrichtung (100) derart eingerichtet ist, dass auf der der Schmelze zugewandten Oberfläche (131 ) des Tiegels Kristallnadeln (156) aus dem Nitrid des Halbleitermaterials gebildet werden, und wobei über dem Tiegel (130) eine den zu ziehenden Einkristall (150) umgebende, weitere, insbesondere ringförmige, Heizvorrichtung (138) vorgesehen ist. 14. The device (100) according to one of claims 11 to 13, wherein the device (100) is set up in such a way that crystal needles (156) are formed from the nitride of the semiconductor material on the melt-facing surface (131) of the crucible, and wherein A further, in particular annular, heating device (138) surrounding the single crystal (150) to be pulled is provided above the crucible (130).
15. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die 15. The device (100) according to any one of claims 11 to 14, wherein the
Heizvorrichtung (135) vorgesehen ist, die derart angeordnet ist, dass das feste und zu schmelzende Halbleitermaterial (153) von oben durch mittels der Heizvorrichtung erzeugter Wärmestrahlung (W) direkt erwärmbar ist, und wobei der Tiegel hierzu innerhalb der Vorrichtung in einer Heizposition (PH) positionierbar ist. Heating device (135) is provided, which is arranged such that the solid and meltable semiconductor material (153) can be heated directly from above by heat radiation (W) generated by the heating device, and the crucible for this purpose within the device in a heating position (PH ) can be positioned.
16. Vorrichtung (100) nach Anspruch 15, wobei die Heizvorrichtung (135) derart angeordnet ist, dass sie den Tiegel (130) umgibt und in der Heizposition (PH) an einem oberen Ende oberhalb des Tiegels nach innen gebogenen ist. 16. The apparatus (100) according to claim 15, wherein the heating device (135) is arranged such that it surrounds the crucible (130) and is bent inwards in the heating position (PH) at an upper end above the crucible.
17. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei die 17. The device (100) according to any one of claims 13 to 19, wherein the
Heizvorrichtung (135) derart angeordnet ist, dass der Tiegel von unten durch mittels der Heizvorrichtung erzeugter Wärmestrahlung (W) direkt erwärmbar ist, und wobei der Tiegel auf einem Tragmittel (161 ) angeordnet ist, das wenigstens eine Öffnung (162) aufweist, sodass mittels der Heizvorrichtung der Tiegel durch mittels er The heating device (135) is arranged in such a way that the crucible can be heated directly from below by heat radiation (W) generated by the heating device, and the crucible is arranged on a support means (161) which has at least one opening (162), so that by means of the heater of the crucible by means of it
Heizvorrichtung erzeugter Wärmestrahlung (W), die durch die wenigstens eine Heater generated heat radiation (W) by the at least one
Öffnung (162) tritt, direkt erwärmbar ist. Opening (162) occurs, is directly heated.
18. Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium, die einen Sauerstoffanteil von weniger als 1x1016 Atome pro cm3 und einen Stickstoffanteil von mehr als 1x1015 Atome pro cm3 aufweist. 18. Semiconductor wafer made of single-crystal silicon, which has an oxygen content of less than 1x10 16 atoms per cm 3 and a nitrogen content of more than 1x10 15 atoms per cm 3 .
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