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DE1090868B - Process for pulling monocrystalline semiconductor rods from melts - Google Patents

Process for pulling monocrystalline semiconductor rods from melts

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DE1090868B
DE1090868B DES60264A DES0060264A DE1090868B DE 1090868 B DE1090868 B DE 1090868B DE S60264 A DES60264 A DE S60264A DE S0060264 A DES0060264 A DE S0060264A DE 1090868 B DE1090868 B DE 1090868B
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DE
Germany
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melt
cooling
rod
temperature
gas
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Pending
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DES60264A
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German (de)
Inventor
Dipl-Ing Hans Heinrich Kocher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens Corp
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Publication date
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Description

Verfahren zum Ziehen von einkristallinen Halbleiterstäben aus Schmelzen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen von im wesentlichen einkristallinen Halbleiterstäben aus der Schmelze, bei dem das aus der Schmelze gezogene Halbleitermaterial in der Nähe der Oberfläche der Schmelze durch einen Gasstrom gekühlt wird.Process for pulling monocrystalline semiconductor rods from melts The invention relates to a method for pulling substantially single crystal Semiconductor rods from the melt, in which the semiconductor material drawn from the melt is cooled by a gas stream near the surface of the melt.

Das Kristallziehen ist bekannt und verläuft in großen Zügen folgendermaßen: Der Halbleiter wird in einem Tiegel aus Graphit oder Quarz, der durch Hochfrequenz oder Strahlung erhitzt wird, unter Schutzgas oder im Vakuum geschmolzen. Dann taucht man einen orientierten Einkristallkeim in die Schmelze. Nachdem er etwas abgeschmolzen ist, wird die Temperatur erniedrigt, so daß der Kristall wieder zu wachsen beginnt. Gleichzeitig wird er langsam emporgezogen. Der Durchmesser des gezogenen Halbleiterstabes hängt dabei von der Temperatur der Schmelze und der Ziehgeschwindigkeit ab. Zum Ziehen eines Stabes mit gleichbleibendem Durchmesser muß also dafür gesorgt werden, daß diese beiden Größen möglichst konstant gehalten werden. Besonders die genaue Temperaturregelung erfordert dabei bekanntlich einen ziemlich großen apparativen Aufwand.Crystal pulling is well known and broadly proceeds as follows: The semiconductor is in a crucible made of graphite or quartz, which is driven by high frequency or radiation is heated, melted under protective gas or in a vacuum. Then dives one oriented single crystal seed in the melt. After having melted something is, the temperature is lowered so that the crystal starts growing again. At the same time it is slowly drawn up. The diameter of the drawn semiconductor rod depends on the temperature of the melt and the drawing speed. To the Pulling a rod with a constant diameter must therefore ensure that that these two quantities are kept as constant as possible. Especially the exact one As is well known, temperature control requires a fairly large amount of equipment Expenditure.

Durch Änderung der Ziehgeschwindigkeit und/oder der Temperatur der Schmelze, also der Temperatur in der Umgebung der Erstarrungsfront, ist es zwar auch möglich, während des Ziehens den Durchmesser des Halbleiterstabes zu ändern, aber diese Änderung geht nicht trägheitslos vor sich. Außerdem ist eine Änderung der Heiztemperatur nur grob und stufenweise möglich, so daß die Regelung des Durchmessers auch nicht kontinuierlich erfolgen kann. Für vollautomatische Anlagen und dünne Stäbe ist diese Art der Dickenregelung daher ungeeignet.By changing the drawing speed and / or the temperature of the It is melt, i.e. the temperature in the vicinity of the solidification front also possible to change the diameter of the semiconductor rod during the drawing, but this change is not inertia. There is also a change the heating temperature only roughly and gradually possible, so that the regulation of the diameter can also not take place continuously. For fully automatic systems and thin This type of thickness control is therefore unsuitable for bars.

Es ist weiter ein Verfahren bekannt, bei dem das vom Kristallkeim angehobene, sich verfestigende Material in der Nähe der Oberfläche der Schmelze gekühlt wird und das Kühlgas aus einer ringförmigen Leitung, die mit einer schlitzförmigen öffnung versehen ist, allseitig auf das sich verfestigende Material strömt. Es ist jedoch schwierig, einen Ringschlitz von so gleichbleibender Breite in der Ringleitung anzubringen, daß keine asymmetrische Kühlung und die damit verbundene Störung des Kristallwachstums auftritt, da schon bei einem längs des Ringschlitzes auftretenden Unterschied in der Breite des Schlitzes, der in der Größenordnung von weniger als 1/1o mm liegt, eine asymmetrische Kühlung auftritt, die Störungen im Kristallwachstum zur Folge hat.There is also known a method in which the seed crystal raised, solidifying material near the surface of the melt is cooled and the cooling gas from an annular line with a slot-shaped Opening is provided, flows on all sides on the solidifying material. It is difficult, however, an annular slot of such a constant width in the ring line to attach that no asymmetrical cooling and the associated disruption of the Crystal growth occurs as it is already occurring along the ring slot Difference in the width of the slot, which is on the order of less than 1/10 mm, an asymmetrical cooling occurs, which disturbs the crystal growth has the consequence.

Das Verfahren gemäß der Erfindung, bei dem das Kühlgas durch Düsen auf das aus der Schmelze herausgezogene, noch flüssige Material strömt, hat demgegenüber vor allem den Vorteil, daß die Düsen auch in radialer Richtung beweglich sind und somit der Abstand der einzelnen Düsen vom Stabe auch in dieser Richtung beliebig einstellbar ist und nicht nur, wie bei der Verwendung einer Ringleitung, ein Kippen oder Drehen möglich ist. Es ist also sehr einfach, die Düsen um den Halbleiterstab so anzuordnen und auszubilden, daß eine gleichmäßige Kühlung erzielt wird, so daß einwandfreie Einkristalle mit einem gewünschten, gegebenenfalls über die ganze Länge konstanten Durchmesser gezogen werden können.The method according to the invention, in which the cooling gas is passed through nozzles on the other hand, flows onto the still liquid material that has been drawn out of the melt above all the advantage that the nozzles can also be moved in the radial direction and thus the distance between the individual nozzles and the rod is also arbitrary in this direction is adjustable and not just tilting, as when using a ring line or turning is possible. So it's very easy to put the nozzles around the semiconductor rod to be arranged and trained so that uniform cooling is achieved, so that flawless single crystals with a desired, possibly over the entire length constant diameter can be drawn.

Eine nähere Erläuterung der Erfindung soll durch die Beschreibung der Figuren gegeben werden.The description is intended to provide a more detailed explanation of the invention of the figures are given.

In Fig. 1 sind wesentliche Teile der Kristallziehapparatur dargestellt. Im Tiegel 4, der aus Graphit oder Quarz besteht, befindet sich geschmolzenes Halbleitermaterial 5, z. B. Germanium. Während des Verfahrens wird in das flüssige und etwas überhitzte Halbleitermaterial ein Keimkristall eingetaucht und in Richtung des Pfeiles 14 emporgezogen. Infolge der durch die Oberflächenspannung bedingten Kapillarkraft wird eine bestimmte, von der Temperatur der Schmelze und der Ziehgeschwindigkeit abhängige Menge flüssigen Halbleitermaterials 6 hochgezogen, das beim Durchwandern der Kristallisationszone 12 erstarrt und neue Mengen des flüssigen Halbleitermaterials nach sich zieht, so daß ein stabförmiger Halbleiterkörper 1 entsteht.In Fig. 1 essential parts of the crystal pulling apparatus are shown. In the crucible 4, which consists of graphite or quartz, there is molten semiconductor material 5, e.g. B. germanium. During the procedure it gets into the liquid and slightly overheated Semiconductor material immersed a seed crystal and pulled up in the direction of arrow 14. As a result of the capillary force caused by the surface tension, a certain, Amount of liquid depending on the temperature of the melt and the drawing speed Semiconductor material 6 pulled up when walking through the crystallization zone 12 solidifies and entails new quantities of the liquid semiconductor material, see above that a rod-shaped semiconductor body 1 is formed.

Ist die Temperatur der Schmelze im Vergleich zur Ziehgeschwindigkeit zu hoch, so endet die sich verjüngende flüssige Zone 6 in einer Spitze, ohne daß die Schmelze erschöpft ist. Alle durch diesen Schmelzkegel bestimmten Durchmesser können erzielt werden, wobei der jeweilige Stabdurchmesser durch die Entfernung der Rekristallisationszone 12 von der Oberfläche der Schmelze bestimmt wird.Is the temperature of the melt compared to the drawing speed too high, the tapering liquid zone 6 ends in a point without the melt is exhausted. All diameters determined by this melting cone can be achieved, the respective rod diameter by the distance the Recrystallization zone 12 is determined by the surface of the melt.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ergibt sich daraus, daß bei etwa konstanter Ziehgeschwindigkeit und etwa konstanter, der Oberfläche der Schmelze zugeführter Wärmemenge die Lage der Erstarrungszone 12, also der Durchmesser des gezogenen Stabes, durch die in der Umgebung der Erstarrungszone abgeführte Wärmemenge bestimmt wird. Diese Wärmeabfuhr geschieht erfindungsgemäß durch die dicht über der Schmelze angeordneten Düsen (z. B. 2 und 3 in Fig. 1; 7, 8, 9, 10 und 11 in Fig. 2), durch die ein Gasstrom auf die Erstarrungszone hingeführt wird, der das Material abkühlt, so daß es mit einem bestimmten Durchmesser erstarrt. Dieser Durchmesser bleibt während des ganzen Verfahrens erhalten, wenn der Gasstrom nicht geändert wird. Der Stabdurchmesser ist um so größer, je größer die abgeführte Erstarrungswärmeist, und nimmt umgekehrt um so mehr zu, je mehr gekühlt wird.The basic idea of the present invention arises from the fact that at approximately constant drawing speed and approximately constant, the surface of the Melt amount of heat supplied, the position of the solidification zone 12, that is, the diameter of the drawn rod, due to the amount of heat dissipated in the vicinity of the solidification zone is determined. According to the invention, this heat dissipation takes place through the tightly above of the melt arranged nozzles (e.g. 2 and 3 in Fig. 1; 7, 8, 9, 10 and 11 in Fig. 2), through which a gas stream is directed to the solidification zone, which the Material cools down so that it solidifies with a certain diameter. That diameter is maintained throughout the process if the gas flow is not changed will. The diameter of the rod is greater, the greater the heat of solidification removed, and conversely, the more it is cooled, the more it increases.

Da durch die Kühlung hauptsächlich die Erstarrungswärme abgeführt wird, spielen kleine Änderungen der Tiegeltemperatur keine Rolle, d. h., die Temperatur der Schmelze ist nicht besonders kritisch. Allerdings muß sie etwas über der Schmelztemperatur des Halbleiters liegen, da sonst die Erstarrungszone zu nahe an der Oberfläche der Schmelze liegen würde. Sie kann z. B. um 10° C über dem Schmelzpunkt des Halbleitermaterials liegen. Kleine Schwankungen der Temperatur werden durch das erfindungsgemäße Verfahren bedeutungslos.Because mainly the solidification heat is dissipated by the cooling small changes in the crucible temperature are irrelevant; i.e., the temperature the melt is not particularly critical. However, it must be slightly above the melting temperature of the semiconductor, otherwise the solidification zone is too close to the surface of the Melt would lie. You can z. B. 10 ° C above the melting point of the semiconductor material lie. Small fluctuations in temperature are avoided by the method according to the invention meaningless.

Erfindungsgemäß sind die Kühlmittel ringförmig und in gleichmäßigem Abstand von der Oberfläche der Schmelze um den Stab angeordnet, und das aus der Schmelze herausgezogene Material wird im wesentlichen gleichmäßig über den Umfang gekühlt. Der Halbleiterstab wird also gemäß der Erfindung durch eine Anzahl ringförmig angeordneter Düsen hindurchgezogen. In Fig. 2 ist als Beispiel eine Aufsicht auf wesentliche Teile der Apparatur dargestellt. 1 ist der Halbleiterstab, z. B. aus Germanium, der z. B. durch fünf gaszuführende Düsen 7, 8, 9, 10 und 11 gekühlt wird.According to the invention, the coolants are ring-shaped and uniform Distance from the surface of the melt arranged around the rod, and that from the Melt withdrawn material is essentially uniform over the circumference chilled. Thus, according to the invention, the semiconductor rod becomes ring-shaped by a number arranged nozzles pulled through. In Fig. 2 is a plan view as an example essential parts of the apparatus are shown. 1 is the semiconductor rod, e.g. B. off Germanium, the z. B. is cooled by five gas supply nozzles 7, 8, 9, 10 and 11.

Die Änderung der durch die Kühlung abgeführten Wärmemenge wird durch Linderung der Menge des kühlenden Gasstromes erzielt. Steigert oder schwächt man also den Gasstrom, so wächst oder fällt der Durchmesser schnell auf einen anderen Wert und ist über ein Nadelventil genau einzuregeln. Die Temperatur des Gasstromes ist nicht kritisch. Sie liegt unter der Zimmertemperatur und beträgt z. B. 10 bis 12° C. In einer besonders günstigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Kühlgas, das durch die Düsen auf die Erstarrungszone strömt, das ohnehin erforderliche Schutzgas.The change in the amount of heat dissipated by the cooling is caused by Relief of the amount of cooling gas flow achieved. You increase or weaken So the gas flow, so the diameter quickly increases or decreases to another Value and can be precisely regulated using a needle valve. The temperature of the gas stream is not critical. It is below room temperature and is z. B. 10 to 12 ° C. In a particularly favorable embodiment of the method according to the invention the cooling gas that flows through the nozzles onto the solidification zone is that anyway required shielding gas.

Die wesentlichen Vorteile des durch die Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens sind, nochmals kurz zusammengefaßt, also folgende: Die Temperatur der Schmelze kann etwa 10° C über dem Schmelzpunkt des Halbleitermaterials liegen. Kleine Schwankungen der Temperatur der Schmelze sind nicht von Bedeutung. Der Durchmesser kann ohne Trägheitserscheinungen, also schlagartig, auf andere Werte gebracht werden. Ein Überschwingen oder Nachwirken tritt nicht auf. Die Änderung des Durchmessers kann beliebig fein und stufenlos erfolgen. Die Ziehgeschwindigkeit ist von untergeordneter Bedeutung.The main advantages of the proposed by the invention Procedures are, again briefly summarized, so the following: The temperature of the Melt can be about 10 ° C above the melting point of the semiconductor material. Small Fluctuations in the temperature of the melt are not important. The diameter can be brought to other values without any signs of inertia, i.e. suddenly. There is no overshoot or after-effects. The change in diameter can be made as fine and infinitely variable as desired. The pulling speed is of secondary importance Meaning.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Ziehen von im wesentlichen einkristallinen Halbleiterstäben aus der Schmelze, bei dem das aus der Schmelze gezogene Halbleitermaterial in der Nähe der Oberfläche der Schmelze durch einen Gasstrom gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlgas durch Düsen auf das aus der Schmelze herausgezogene noch flüssige Material strömt. PATENT CLAIMS: 1. A method for pulling essentially single-crystal semiconductor rods from the melt, in which the semiconductor material pulled from the melt is cooled in the vicinity of the surface of the melt by a gas stream, characterized in that the cooling gas through nozzles onto the from the melt pulled out still liquid material flows. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Stabes durch Regelung bzw. Einstellung der durch die Kühlmittel erzielten Kühlung geregelt, insbesondere konstant gehalten wird. 2. Procedure according to Claim 1, characterized in that the thickness of the rod is controlled or Adjustment of the cooling achieved by the coolant regulated, in particular constant is held. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittel ringförmig und in gleichmäßigem Abstand von der Oberfläche der Schmelze um den Stab angeordnet sind und das aus der Schmelze herausgezogene Material im wesentlichen gleichmäßig über den Umfang kühlen. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the coolant is annular and evenly spaced from the surface of the melt are arranged around the rod and the withdrawn from the melt material in the cool evenly over the circumference. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der durch Kühlung abgeführten Wärmemenge durch Änderung der Menge des kühlenden Gasstromes erzielt wird. 4. The method according to any one of the claims 1 to 3, characterized in that the change in the dissipated by cooling Amount of heat is achieved by changing the amount of cooling gas flow. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zugleich als Schutzgas wirkender Kühlstrom verwendet wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 292 927.5. Procedure according to one of claims 1 to 4, characterized in that a protective gas acting cooling flow is used. Publications considered: Swiss U.S. Patent No. 292,927.
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