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DE1256202B - Process for producing homogeneous, rod-shaped crystals from a melt - Google Patents

Process for producing homogeneous, rod-shaped crystals from a melt

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Publication number
DE1256202B
DE1256202B DEN18903A DEN0018903A DE1256202B DE 1256202 B DE1256202 B DE 1256202B DE N18903 A DEN18903 A DE N18903A DE N0018903 A DEN0018903 A DE N0018903A DE 1256202 B DE1256202 B DE 1256202B
Authority
DE
Germany
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crystal
crucible
growing
rod
directions
Prior art date
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Pending
Application number
DEN18903A
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German (de)
Inventor
Johannes Aloysius Mari Dikhoff
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.)
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Gloeilampenfabrieken NV
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Filing date
Publication date
Application filed by Philips Gloeilampenfabrieken NV filed Critical Philips Gloeilampenfabrieken NV
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Pending legal-status Critical Current

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Description

Β U JN ΏΆSKISJ* U BL1IK. DiSUISUIiJL1AJMJΒ U JN ΏΆ SKISJ * U BL 1 IK. DiSUISUIiJL 1 AJMJ

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

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Deutsche Kl.: 12 g-17/06 German class: 12 g- 17/06

Nummer: 1256 202Number: 1256 202

Aktenzeichen: N18903IV c/12 gFile number: N18903IV c / 12 g

Anmeldetag: 14. September 1960Filing date: September 14, 1960

Auslegetag: 14. Dezember 1967Opened on: December 14, 1967

Ein stabförmiger Kristall aus halbleitendem Material mit Diamantstruktur soll bei Verwendung in Transistoren, Dioden oder Photozellen hinsichtlich seines spezifischen Widerstandes möglichst homogen sein. Es hat sich herausgestellt, daß bei einem solchen stabförmigen, durch Ziehen aus einer Schmelze oder durch Zonenschmelzen hergestellten Kristall vielfach der spezifische Widerstand in den Querrichtungen nicht homogen ist und daß insbesondere in einem im allgemeinen zentral liegenden, sich in der Längsrichtung des Kristalls erstreckenden Teil der spezifische Widerstand sich erheblich von dem in den angrenzenden Teilen unterscheidet. Infolge dieser Erscheinung, die nachstehend als »Kernbildung« bezeichnet wird, können die spezifischen Widerstände, wenn sie an unterschiedlichen Stellen auf einem Querschnitt des Kristalls gemessen werden, relative Unterschiede von mehr als 30%, sogar von 50% und mehr aufweisen. Unter dem relativen Unterschied zwischen zwei spezifischen Widerständen wird hier das in Prozenten ausgedrückte Verhältnis zwischen der Differenz und der Hälfte der Summe dieser spezifischen Widerstände verstanden. Der Grund dieser Kembildung war nicht bekannt. Es wurde bereits vorgeschlagen, diese Erscheinung dadurch zu verringern, daß der anwachsende Kristall in Drehung und/oder in Schwingung versetzt wurde, aber es hat sich herausgestellt, daß dabei diese Erscheinung nicht ausreichend unterdrückt wird.A rod-shaped crystal made of semiconducting material with a diamond structure is said to be used in Transistors, diodes or photocells are as homogeneous as possible with regard to their specific resistance be. It has been found that in such a rod-shaped, by pulling from a melt or crystal produced by zone melting often has the specific resistance in the transverse directions is not homogeneous and that in particular in a generally centrally located, extending in the longitudinal direction of the crystal extending part the resistivity differs significantly from that in the adjacent Sharing is different. As a result of this phenomenon, hereinafter referred to as "nucleation" the resistivities can if they are in different places on one Cross-section of the crystal can be measured, relative differences of more than 30%, even 50% and have more. Below the relative difference between two resistivities becomes here the ratio, expressed as a percentage, between the difference and half of the sum of these understood specific resistances. The reason for this core formation was not known. It was already proposed to reduce this phenomenon by rotating the growing crystal and / or vibrated, but it has been found that doing so is not sufficiently suppressed.

Weiter ist bereits vorgeschlagen worden, bei der Herstellung einkristalliner Halbleiterstäbe durch Zonenschmelzen den Keimkristall so anzuschmelzen, daß dessen [lll]-Richtung von der Wachstumsrichtung des Kristalls verschieden ist. It has also already been proposed to use single-crystal semiconductor rods in the production Zone melting to melt the seed crystal in such a way that its [III] direction is different from the direction of growth of the crystal.

Um nun die Homogenität eines stabförmigen Einkristalle, insbesondere hinsichtlich seines spezifischen Widerstandes, zu steigern und das Auftreten jeder Kernbildung zu verhüten, wird beim Herstellen stabförmiger Kristalle aus einer halbleitendes Material mit Diamantstruktur enthaltenden Schmelze durch Anwachsen eines Einkristalls, dessen [lll]-Richtungen von der Anwachsrichtung des Kristalls verschieden sind, erfindungsgemäß der Keimkristall so orientiert, daß auch die [100]- und [110]-Richtungen, ebenso wie die [111 !-Richtungen um Winkel von wenigstens 5° von der Anwachsrichtung des Kristalls abweichen.To now the homogeneity of a rod-shaped single crystal, especially with regard to its specific Resistance to increase and to prevent the occurrence of any nucleation becomes more rod-shaped in manufacturing Crystals from a semiconducting material with diamond structure containing melt through Growing of a single crystal whose [III] directions are different from the growing direction of the crystal are, according to the invention, the seed crystal is oriented so that the [100] and [110] directions, as well as the [111! directions deviate by angles of at least 5 ° from the direction of growth of the crystal.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert, in derThe invention is explained in more detail below with reference to the drawing, in which

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Anwachsen eines Keimkristalls durch tiegelfreies Zonenschmelzen,1 shows a device for growing a seed crystal by zone melting without a crucible,

Fig. 2 die Orientierung des in Fig. 1 dargestellten Kristalls,Fig. 2 shows the orientation of the crystal shown in Fig. 1,

Verfahren zum Herstellen homogener
stabförmiger Kristalle aus einer Schmelze
Method of making more homogeneous
rod-shaped crystals from a melt

Anmelder:Applicant:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,

Eindhoven (Niederlande)Eindhoven (Netherlands)

Vertreter:Representative:

Dipl.-Ing. E. E. Walther, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7
Dipl.-Ing. EE Walther, patent attorney,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7th

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Johannes Aloysius Maria Dikhoff,Johannes Aloysius Maria Dikhoff,

Eindhoven (Niederlande)Eindhoven (Netherlands)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

Niederlande vom 18. September 1959 (243 511)Netherlands 18 September 1959 (243 511)

Fig. 3 eine Vorrichtung zum Aufziehen eines Kristalls aus einer Schmelze,3 shows a device for pulling up a crystal from a melt,

Fig. 4 die Orientierung des in Fig. 3 dargestellten Kristalls,4 shows the orientation of the crystal shown in FIG. 3,

F i g. 5 eine Vorrichtung zum. Zonenschmelzen in einem langgestreckten Tiegel undF i g. 5 a device for. Zone melting in an elongated crucible and

F i g. 6 die Orientierung des in F i g. 5 dargestellten Keimkristalls schematisch darstellt.F i g. 6 the orientation of the in F i g. 5 schematically represents the seed crystal shown.

In F i g. 1 bezeichnet 1 einen Siliciumkeimkristall, der an der Oberseite in einem Halter 2 befestigt ist, der sich mit einer Geschwindigkeit von 100 Umdrehungen in der Minute um seine vertikale Achse X dreht. Ein vertikal gemäß der ΑΓ-Achse angeordneter Siliciumstab 3 ist unten in einem Halter 4 befestigt. Zwischen dem Stab 3 und dem Kristall 1 befindet sich eine Schmelzzone 5, die mittels einer diese Zone symmetrisch umgebenden Hochfrequenzspule 6 erzeugt wird, wobei infolge der hohen Oberflächenspannung das geschmolzene Material nicht herunterfließt. Die Hochfrequenzspule wird mit einer Geschwindigkeit von 1 mm in der Minute in der durch einen Pfeil angegebenen Richtung herabbewegt, wobei der Stab 3 allmählich abschmilzt und der Kristall 1 allmählich in vertikaler Richtung zu einem Stab anwächst. Die Erstarrungsfront 7 zwischen dem anwachsenden Keimkristall 1 und der Schmelzzone 5 hat eine etwas gekrümmte, gegenüber der X-Achse nahezu symmetrische Gestalt. Die Orientierung des Kristalls 1 ist in F i g. 2 mittels eines Würfels 8 dargestellt, dessenIn Fig. 1 denotes 1 a silicon seed crystal which is fixed at the top in a holder 2 which rotates about its vertical axis X at a speed of 100 revolutions per minute. A silicon rod 3 arranged vertically along the ΑΓ axis is fastened in a holder 4 at the bottom. Between the rod 3 and the crystal 1 there is a melting zone 5, which is generated by means of a high-frequency coil 6 symmetrically surrounding this zone, the molten material not flowing down due to the high surface tension. The high-frequency coil is moved downward at a speed of 1 mm per minute in the direction indicated by an arrow, the rod 3 gradually melting and the crystal 1 gradually growing into a rod in the vertical direction. The solidification front 7 between the growing seed crystal 1 and the melting zone 5 has a somewhat curved shape that is almost symmetrical with respect to the X axis. The orientation of the crystal 1 is shown in FIG. 2 shown by means of a cube 8, whose

709 708/370709 708/370

Claims (3)

3 43 4 Lage derjenigen einer kubischen Elementarzelle des z.B. die in Fig. 4 angegebene Orientierung des Kristalls entspricht. Die [lll]-Richtung ist mit 9 be- Kristalls Anwendung finden kann, die mit Hilfe des zeichnet. Sie schließt einen Winkel von 25° mit der Würfels 26 angegeben ist. Die [lll]-Richtung 27 Anwachsrichtung 10 des Kristalls ein. Die anderen, liegt dabei in der Zeichenebene und schließt einen nicht dargestellten [lll]-Richtungen schließen 5 'Winkel von 15° mit der Anwachsrichtung 28 des größere Winkel mit der Anwachsrichtung ein, wäh- Kristalls ein, während die anderen kristallographirend die [100]-Richtungen (gemäß den Kanten des sehen Hauptrichtungen größere Winkel mit dieser Würfels) und die nicht dargestellten [110]-Richtun- Anwachsrichtung einschließen. Der erhaltene Kristall gen (gemäß den Flächendiagonalen des Würfels) läßt sich wiederum senkrecht zur [lll]-Richtung 27 Winkel von mehr als 5° mit der Anwachsrichtung io in Schnitte unterteilen. Wird in einem solchen einschließen. Hierbei tritt keine Kernbildung im Schnitt der spezifische Widerstand an verschiedentwachsenden Kristall auf. liehen Stellen gemessen, so stellt sich heraus, daß diePosition of that of a cubic unit cell of, for example, the orientation of the given in Fig. 4 Crystal corresponds. The [lll] -direction can be used with 9 be crystal application, which with the help of the draws. It closes an angle of 25 ° with the cube 26 is indicated. The [lll] direction 27 Growth direction 10 of the crystal. The other, lies in the plane of the drawing and closes one [III] directions (not shown) close a 5 'angle of 15 ° with the growing direction 28 of the larger angles with the direction of growth, while the others are crystallographic the [100] directions (according to the edges of the main directions see larger angles with this Cube) and the [110] direction not shown. The crystal obtained gen (according to the surface diagonals of the cube) can in turn be perpendicular to the [III] direction 27 Divide angles of more than 5 ° into sections with the direction of growth io. Will be in such a lock in. In this case, there is no nucleation in the section of the specific resistance on differently growing ones Crystal on. borrowed places measured, it turns out that the Der in dieser Weise erhaltene stabförmige Kristall gemessenen Werte sich zwar manchmal voneinanderThe rod-shaped crystal obtained in this way sometimes measured values from one another läßt sich leicht durch Sägen senkrecht zur [Hl]- unterscheiden, aber die relativen Unterschiede be-can be easily distinguished by sawing perpendicular to the [Hl] -, but the relative differences are Richtung 9 in Schnitte unterteilen. Wird in einem 15 tragen stets weniger als 10%.Divide direction 9 into sections. Will always wear less than 10% in a 15. solchen Schnitt der spezifische Widerstand an ver- Fig. 5 zeigt eine ebenfalls nicht beanspruchtesuch a section shows the specific resistance at Fig. 5 shows a likewise not claimed schiedenen Stellen gemessen, so stellt sich heraus, Vorrichtung zum Herstellen stabförmiger KristalleMeasured at different locations, it turns out, an apparatus for producing rod-shaped crystals daß sich zwar die gemessenen Werte manchmal von- durch Zonenschmelzen, bei der ein Tiegel 30 austhat although the measured values sometimes differ by zone melting, in which a crucible 30 is made einander unterscheiden, aber die relativen Unter- Quarz in Form eines langgestreckten Schiffchensdiffer from each other, but the relative sub-quartz in the form of an elongated boat schiede betragen stets weniger als 10%. 20 horizontal in der Längsrichtung gegenüber einer dendifferences are always less than 10%. 20 horizontally in the longitudinal direction opposite one of the F i g. 3 stellt eine hier nicht beanspruchte Vor- Tiegel umgebenden Hochfrequenzspule 31 verschieb-F i g. 3 represents a high-frequency coil 31 surrounding the pre-crucible, which is not claimed here. richtung zum Ziehen von Kristallen aus einer bar ist.direction for pulling crystals from a bar. Schmelze dar, bei der 11 ein Tiegel aus Graphit ist, Im Tiegel befindet sich ein Germaniumstab 32. Ein die auf einer Graphitscheibe 12 mit einem Rand 13 Germaniumkeimkristall 33 liegt schräg an der Stirnangeordnet ist, der auf einem Behälter 14 liegt, so 25 wand 34 des Tiegelsso an, daß seine [111 !-Richtung daß sich zwischen dem Tiegel 11 und dem Behälter einen Winkel von 10° mit der Längsrichtung des 14 zwei Hohlräume 15 und 16 ergeben. Der Be- Tiegels 30 einschließt. Die Orientierung des derart halter 14 besteht aus einem Zylinder 17 mit einem angeordneten Keimkristalls ist in Fig. 6 wiederum Kolben 18. Mittels eines engen Kanals 19, der im mit Hilfe eines Würfels 35 angegeben, wobei die Boden des Tiegels 11 und in der oberen Wand des 30 [Hl]-Richtung mit 36 bezeichnet ist.
Behälters 14 angebracht ist und sich durch einen Der Tiegel 30 (Fig. 5) wird jetzt so angeordnet, stabförmigen Zwischenteil 20, der durch eine daß die Hochfrequenzspule 31 die Berührungsstelle Öffnung 21 in der Scheibe 12 hindurchgeführt ist, zwischen dem Stab 32 und dem Keimkristall 33 umerstreckt, ist der Behälter 14 mit dem Innern des gibt, wonach durch Erregung der Spule an dieser Tiegels 11 verbunden. Das Ganze ist durch eine 35 Stelle eine Schmelzzone 37 erzeugt wird. Dann wird Hochfrequenzspule 22 umgeben, so daß es erhitzt der Tiegel mit einer Geschwindigkeit von 2 mm pro werden kann. Durch das Vorhandensein der Graphit- Minute in bezug auf die Spule in der durch einen scheibe 12 mit dem Rand 13 und der Hohlräume 15 Pfeil angegebenen Richtung verschoben, so daß die und 16 kann dem Boden des Tiegels 11 zusätzliche Schmelzzone den Stab 32 in dessen Längsrichtung Wärme zugeführt werden. Der Behälter 14 und der 40 durchläuft, wobei dieser Stab allmählich abschmilzt Kanal 19 sind ganz mit einer Schmelze 23 aus Ger- und zu einem stabförmigen Kristall mit einer Orienmanium gefüllt, die auch den Tiegel 11 bis zu einer tierung nach Fig. 6 wird. Weil die Erhitzung an der Höhe von nur 6 mm, vom Boden des Tiegels ge- Oberseite der Zone 37 (F i g. 5) stärker als an der rechnet, füllt. Ein stabförmig anwachsender Germa- Unterseite ist, ist die Zone an der Oberseite breiter niumkristall 24 mit einem Durchmesser von 2 cm, 45 als an der Unterseite, wodurch die Erstarrungsfront der durch teilweises Anwachsen eines vororientier- 38 gegenüber der Längsachse des anwachsenden ten Keimkristalls erhalten ist, wird mit einer gleich- Teils des Kristalls eine unsymmetrische Gestalt aufmäßigen Geschwindigkeit von 1 mm in der Minute weist und auf ihrer Unterseite nahezu senkrecht zur vertikal aus der Schmelze im Tiegel aufgezogen, Richtung 39 verläuft, in der der Kristall anwächst, während er sich mit einer Geschwindigkeit von 50 aber an der Oberseite stark von dieser Lage ab-50 Umdrehungen in der Minute um seine Γ-Achse weicht. Dadurch, daß die [Hl]-Richtung 36 des dreht, wobei er allmählich weiter anwächst. Dadurch, Keimkristalls in bezug auf die Anwachsrichtung 39 daß der Kolben 18 allmählich gehoben wird, wird (Fig. 6) um einen Winkel von 10° nach unten abder Pegel der Schmelze im Tiegel auf konstanter weicht, verläuft sie nirgendwo senkrecht zur Er-Höhegehalten. 55 starrungsfront 38 (Fig. 5), so daß im wachsenden
Melt, in which 11 is a crucible made of graphite, a germanium rod 32 is located in the crucible of the crucible so that its [111! -direction that there is an angle of 10 ° with the longitudinal direction of the 14 two cavities 15 and 16 between the crucible 11 and the container. The crucible 30 includes. The orientation of such holder 14 consists of a cylinder 17 with an arranged seed crystal is again piston 18 in FIG des 30 [HI] direction is denoted by 36.
Container 14 is attached and through a The crucible 30 (Fig. 5) is now arranged, rod-shaped intermediate part 20, which is passed through an opening 21 in the disc 12 that the high-frequency coil 31, the contact point between the rod 32 and the seed crystal 33, the container 14 is connected to the interior of the crucible 11, after which the coil is excited. The whole thing is created by a melting zone 37. Then high frequency coil 22 is surrounded so that it can be heated the crucible at a rate of 2 mm per. Due to the presence of the graphite minute with respect to the coil in the direction indicated by a disk 12 with the edge 13 and the cavities 15 arrow, so that the and 16 can the bottom of the crucible 11 additional melting zone the rod 32 in its longitudinal direction Heat can be supplied. The container 14 and the 40 passes through, this rod gradually melting. Channel 19 are completely filled with a melt 23 of Ger- and to a rod-shaped crystal with an orienmanium, which also becomes the crucible 11 up to an orientation according to FIG. Because the heating at the height of only 6 mm from the bottom of the crucible fills the top of zone 37 (FIG. 5) more than at the calculated. A rod-shaped growing Germa underside is, the zone on the upper side is wider niumkristall 24 with a diameter of 2 cm, 45 than on the underside, whereby the solidification front is obtained by the partial growth of a pre-oriented 38 relative to the longitudinal axis of the growing seed crystal , with an equal part of the crystal has an asymmetrical shape at a constant speed of 1 mm per minute and is pulled up on its underside almost perpendicular to the vertical from the melt in the crucible, direction 39, in which the crystal grows while it moves with it a speed of 50 but strongly deviates from this position at the top - 50 revolutions per minute around its Γ-axis. In that the [Hl] -direction 36 of the rotates, whereby it gradually increases further. Because the seed crystal is gradually raised in relation to the direction of growth 39, the piston 18 is gradually raised (FIG. 6) by an angle of 10 ° downwards from the level of the melt in the crucible at a constant level, it is nowhere perpendicular to the height of the Er. 55 starrungsfront 38 (Fig. 5), so that in the growing
Infolge der zusätzlichen Erhitzung des Bodens des Kristall keine Kernbildung auftritt. Es sei hierbei beTiegels und infolge des geringen Abstandes zwischen merkt, daß in diesem Fall die Wahl der Richtung, in der Unterseite des Kristalls 24 und dem Boden er- der die [lll]-Achse 36 um einen verhältnismäßig gibt sich bei der Erstarrungsfront 25 des wachsenden geringen Winkel von der Anwachsrichtung abweicht, Kristalls überall ein praktisch vertikaler Wärme- 60 keine beliebige ist, sondern in unmittelbarem Zutransport, während der Wärmetransport in horizon- sammenhang mit der unsymmetrischen Form der Ertaler Richtung nahezu vernachlässigbar ist. Infolge- starrungsfront steht.No nucleation occurs as a result of the additional heating of the bottom of the crystal. Let it be crucible here and due to the small distance between notices that in this case the choice of direction in the bottom of the crystal 24 and the bottom of the [III] axis 36 by a proportion there is at the solidification front 25 the growing small angle deviates from the growing direction, Everywhere crystals are practically vertical heat - 60 is not arbitrary, but in direct transport, while the heat transport is related to the asymmetrical shape of the Ertaler Direction is almost negligible. As a result, the stiff front stands. dessen ist die Erstarrungsfront 25 nahezu flach und ■'.- the solidification front 25 is almost flat and ■ '.- verläuft überall praktisch senkrecht zur Anwachs- Patentansprüche:runs practically perpendicular to the growing patent claims everywhere: richtung des Kristalls. 65 1. Verfahren zum Herstellen homogener stab-direction of the crystal. 65 1. Process for producing homogeneous rod Um Kernbildung zu verhüten, genügt nunmehr ein förmiger Kristalle aus einer halbleitendes Mateverhältnismäßig kleiner Winkel zwischen einer der rial mit Diamantstruktur enthaltenden Schmelze [lll]-Richtungen und der Anwachsrichtung, so daß durch Anwachsen eines Einkristalls, dessenIn order to prevent nucleation, it is now sufficient to have a shaped crystal made of a semiconducting material at a relatively small angle between one of the melts containing a rial with a diamond structure [lll] directions and the growing direction, so that by growing a single crystal, its [lll]-Richtungen von der Anwachsrichtung des Kristalls verschieden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Keimkristall so orientiert wird, daß auch die [100]- und [110]-Richtungen, ebenso wie die [lll]-Richtungen um Winkel von wenigstens 5° von der Anwachsrichtung des Kristalls abweichen.[lll] directions from the growing direction of the Crystal are different, characterized that the seed crystal is oriented so that the [100] and [110] directions, as well as the [III] directions at angles of at least 5 ° from the direction of growth of the Crystal differ.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keimkristall derart orientiert wird, daß der kleinste der Winkel zwischen der Anwachsrichtung und den [lll]-Richtungen des Kristalls mindestens 20° beträgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the seed crystal is oriented in this way becomes that the smallest of the angles between the growing direction and the [lll] directions of the crystal is at least 20 °. 3. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Keimkristall derart orientiert wird, daß der kleinste der Winkel zwischen der Anwachsrichtung und den [lll]-Richtungen des Kristalls höchstens 30° beträgt.3. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that that the seed crystal is oriented so that the smallest of the angles between the direction of growth and the [III] directions of the crystal is at most 30 °. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
DEN18903A 1959-09-18 1960-09-14 Process for producing homogeneous, rod-shaped crystals from a melt Pending DE1256202B (en)

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