DE1209997B - Process for the production of single crystals from fusible material - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

BOIjBOIj

Deutsche Kl.: 12 c-2German class: 12 c-2

Nummer: 1209 997Number: 1209 997

Aktenzeichen: N19476IV c/12 cFile number: N19476IV c / 12 c

Anmeldetag: 24. Januar 1961Filing date: January 24, 1961

Auslegetag: 3. Februar 1966Opening day: February 3, 1966

Verfahren zur Herstellung von Einkristallen aus schmelzbarem Material, z. B. aus Halbleitermaterial, durch Zonenschmelzen in einer Atmosphäre, von der wenigstens ein Bestandteil unter Bildung einer Oberflächenhaut mit dem geschmolzenen Material 5 reagiert, sind bekannt. Silicium wurde z. B. in einer Sauerstoffatmosphäre zonengeschmolzen, wobei auf der freien Oberfläche der geschmolzenen Zone eine Siliciumoxydhaut entstand. Eine solche Haut verstärkt die Wirkung der Oberflächenspannung der Schmelze und verringert die Gefahr, daß das geschmolzene Material abfließt. Darüber hinaus kann eine solche Haut die Aufnahme unerwünschter Verunreinigungen aus der Umgebung und die Verdampfung von Material verhindern. igProcess for the production of single crystals from fusible material, e.g. B. made of semiconductor material, by zone melting in an atmosphere of which at least one component forms a surface skin reacts with the molten material 5 are known. Silicon was z. B. in a Oxygen atmosphere zone melted, whereby on the free surface of the melted zone a Silica skin was created. Such a skin enhances the effect of surface tension Melt and reduces the risk of the molten material flowing off. In addition, can Such a skin absorbs unwanted contaminants from the environment and allows for evaporation of material. ig

Es wurde festgestellt, daß bei diesem bekannten Verfahren, sogar bei Verwendung eines einkristallinen Keimlings, immer viel polykristallines Material erzeugt wird. Dies könnte auf das Entstehen von Unregelmäßigkeiten im Kristallwuchs bei der Erstarrung des schmelzbaren Materials durch Bildung von Kristallkeimen an der Oberflächenhaut zurückgeführt werden.It has been found that in this known method, even when using a single crystal Seedling, a lot of polycrystalline material is always produced. This could be due to the emergence of Irregularities in crystal growth when the fusible material solidifies through formation can be traced back by crystal nuclei on the surface skin.

Ganz einkristallin gebaute Körper werden aus schmelzbarem Material durch Zonenschmelzen von Stäben aus diesem Material, die an einem Ende mit einem Keimkristall verbunden sind, hergestellt, wobei das Zonenschmelzen in einer Atmosphäre stattfindet, von der wenigstens ein Bestandteil unter Bildung einer Oberflächenhaut mit dem geschmolzenen Material reagiert, wenn erfindungsgemäß das Zonenschmelzen an dem dem Keimkristall gegenüberliegenden Ende des Stabes begonnen und die Ziehrichtung nach dem Anschmelzen des Keimkristalls umgekehrt wird.Completely monocrystalline bodies are made of fusible material by zone melting Rods made of this material, which are connected at one end to a seed crystal, made, wherein the zone melting takes place in an atmosphere of which at least a component is formed a surface skin reacts with the molten material when the zone melting according to the invention started at the end of the rod opposite the seed crystal and the direction of pulling is reversed after the seed crystal has melted.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Haut insbesondere an der Stelle, an der sie sich zunächst bildet, eine sehr unregelmäßige Struktur hat, und folglich das Kristallgitter des Stabes stört, während die anschließend wachsenden Hautteile eine viel regelmäßigere Struktur haben und weniger Anlaß zum Bilden von Unregelmäßigkeiten liefern.The invention is based on the knowledge that the skin, in particular at the point where it is initially forms, has a very irregular structure, and consequently disrupts the crystal lattice of the rod while the subsequently growing skin parts have a much more regular structure and less cause to form irregularities.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird also eine geschmolzene Zone an dem dem Keimkristall gegenüberliegenden Ende des Stabes gebildet, welche in Richtung auf das einkristalline Stabende geführt wird. Anschließend wird die geschmolzene Zone von dem einkristallinen Ende zum anderen Ende des Stabes bewegt, wobei sich der zu erzeugende Einkristall bildet. Bei der Bewegung der geschmolzenen Zone auf das einkristalline Ende des Stabes zu, bildet sich die Oberflächenhaut über nahezu die gesamte Länge des Verfahren zur Herstellung von Einkristallen aus
schmelzbarem MaterialIn the method according to the invention, a molten zone is thus formed at the end of the rod opposite the seed crystal, which zone is guided in the direction of the monocrystalline rod end. The molten zone is then moved from the single crystal end to the other end of the rod, with the single crystal to be produced being formed. When the molten zone moves towards the single-crystal end of the rod, the surface skin forms over almost the entire length of the process for producing single crystals
fusible material

Anmelder:Applicant:

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

Eindhoven (Niederlande)Eindhoven (Netherlands)

Vertreter:Representative:

Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,Dr. rer. nat. P. Roßbach, patent attorney,

Hamburg 1, Mönckebergstr. 7Hamburg 1, Mönckebergstr. 7th

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Jan Goorissen, Eindhoven (Niederlande)Jan Goorissen, Eindhoven (Netherlands)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

Niederlande vom 28. Januar 1960 (247 855)Netherlands of January 28, 1960 (247 855)

Stabes. Bei der entgegengerichteten Bewegung der geschmolzenen Zone, bei der der Einkristall gebildet wird, ist die geschmolzene Zone zunächst mit den Teilen der Oberflächenhaut in Berührung, welche bereits eine regelmäßige Struktur haben.Staff. With the opposite movement of the molten zone in which the single crystal is formed is, the molten zone is initially in contact with the parts of the surface skin which already have a regular structure.

Die Gefahr der Bildung von Unregelmäßigkeiten tritt erst auf, wenn der unregelmäßige Teil der Oberflächenhaut erreicht wird, also nachdem nahezu der gesamte Einkristall gebildet ist, durch Anwuchs an dem dabei als Impfkristall dienenden einkristallinen Ende.The risk of the formation of irregularities only occurs when the irregular part of the surface skin is achieved, that is, after almost the entire single crystal has been formed, by growth the monocrystalline end serving as a seed crystal.

Um möglichst Verformungen im Stab bei einer Verlagerung der geschmolzenen Zone zu verhindern, kann zuerst eine ringförmige Schmelzzone verwendet werden, die nach Umkehren der Ziehrichtung so weit vertieft wird, daß auch der Kern des Stabes schmilzt. Unter einer ringförmigen Zone wird dabei eine Zone verstanden, die durch das Schmelzen von Material an der Oberfläche des Stabes um einen Kern aus festem Material herum gebildet wird. Es hat sich ergeben, daß die Anwendung einer solchen ringförmigen Zone zum Erzielen einer regelmäßigen Struktur der Oberflächenhaut beiträgt.In order to prevent deformations in the rod as much as possible when the melted zone is displaced, an annular melting zone can be used first, which after reversing the drawing direction so far is deepened that the core of the rod melts. There is a zone under an annular zone understood by the melting of material on the surface of the rod around a core of solid Material is made around. It has been found that the use of such an annular zone contributes to achieving a regular structure of the surface skin.

An Hand der Zeichnung wird die Herstellung eines einkristallinen Siliciumstabes mittels eines tiegelfreien Zonenschmelzverfahrens in einer Sauerstoffatmosphäre näher erläutert.Using the drawing, the production of a single-crystal silicon rod using a crucible-free one is illustrated Zone melting process explained in more detail in an oxygen atmosphere.

F i g. 1 zeigt schematisch in senkrechtem Schnitt eine Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen, wobei in einem Siliciumstab eine ringförmige Zone vom oberen Stabende aus abwärts verschoben wird;F i g. 1 shows schematically in vertical section a device for crucible-free zone melting, wherein in a silicon rod an annular zone is displaced downwards from the upper end of the rod;

609 503/245609 503/245

F i g. 2 zeigt die gleiche Vorrichtung in senkrechtem Schnitt, wobei nun die sich über den ganzen Stabdurchmesser erstreckende geschmolzene Zone in umgekehrter Richtung vom einkristallinen unteren Stabende aus aufwärts verschoben wird.F i g. 2 shows the same device in vertical section, with the now extending over the whole The molten zone extending in the opposite direction from the single-crystal lower one extends through the rod diameter Bar end is moved upwards.

Die in den F i g. 1 und 2 schematisch dargestellte Vorrichtung besitzt ein beiderseits verschlossenes Quarzglasrohr 7 mit einem Gaseinlaß 2 und einem Gasauslaß 3, einer senkrecht verschiebbaren Hochfrequenzspule 4 und zwei Haltern 5 und 6 für das zu behandelnde Material.The in the F i g. 1 and 2 shown schematically has a device that is closed on both sides Quartz glass tube 7 with a gas inlet 2 and a gas outlet 3, a vertically displaceable high-frequency coil 4 and two holders 5 and 6 for the material to be treated.

Ein aus Silicum bestehender, senkrecht angeordneter Stab 7 ist an seinem oberen Ende am oberen Halter 5 und an seinem unteren Ende am unteren Halter 6 befestigt. Das untere Ende 8 des Stabes 7 besteht aus einkristallinem Silicium, während der übrige Stabteil aus polykristallinem Silicium besteht.A vertically arranged rod 7 made of silicon is at its upper end at the upper end Holder 5 and attached at its lower end to the lower holder 6. The lower end 8 of the rod 7 consists of monocrystalline silicon, while the rest of the rod part consists of polycrystalline silicon.

Durch den Gaseinlaß 2 wird reiner Sauerstoff in das Rohr 1 eingeführt, worauf dieses Gas das Rohr durch den Auslaß 3 wieder verläßt. Die Hochfrequenzspule 4 wird in gleicher Höhe mit dem oberen Ende des Siliciumstabes 7 angeordnet und dann derart erregt, daß im oberen Ende des Siliciumstabes eine ringförmige geschmolzene Zone 9 entsteht (s. Fig. 1). Durch Einwirkung des Sauerstoffs auf das geschmolzene Silicium der Zone 9 und auf das erhitzte feste Silicium bei der geschmolzenen Zone entsteht an der freien Oberfläche der Schmelze eine aus Siliciumoxyd bestehende Oberflächenhaut 10. Deutlichkeitshalber ist diese Haut in den Figuren übertrieben stark dargestellt. Durch allmähliche Herabbewegung der Hochfrequenzspule 4 (in F i g. 1 mit einem Pfeil angedeutet) wird die Zone 9 abwärts verlagert, wobei die Oberflächenhaut 10 allmählich nach unten anwächst. Dabei hat der zunächst gebildete Teil 11 der Oberflächenhaut 10 eine sehr unregelmäßige Struktur. Der darunterliegende Teil 12 der Oberflächenhaut 10, der bei der Verschiebung der Zone 9 als Anwuchs des Hautteiles 11 gebildet wird, hat im Gegensatz zum zunächst gebildeten Hautteil 11 eine verhältnismäßig regelmäßige Struktur und Stärke.Pure oxygen is introduced into the tube 1 through the gas inlet 2, whereupon this gas leaves the tube leaves through the outlet 3 again. The high frequency coil 4 is level with the upper Arranged at the end of the silicon rod 7 and then excited so that in the upper end of the silicon rod an annular molten zone 9 is formed (see FIG. 1). By exposure to oxygen the molten silicon of zone 9 and the heated solid silicon at the molten zone A surface skin 10 consisting of silicon oxide is produced on the free surface of the melt. For the sake of clarity, this skin is shown exaggerated in the figures. By gradually descending the high-frequency coil 4 (indicated by an arrow in FIG. 1) the zone 9 is shifted downwards, the surface skin 10 gradually growing downwards. The first educated Part 11 of the surface skin 10 has a very irregular structure. The underlying part 12 of the Surface skin 10, which is formed when the zone 9 is shifted as an overgrowth of the skin part 11, In contrast to the initially formed skin part 11 has a relatively regular structure and Strength.

Wenn die Zone 9 am einkristallinen unteren Ende 8 angelangt ist, wird die Bewegung der Spule 4 noch einige Zeit fortgesetzt, so daß die geschmolzene Zone sich noch über einen Teil der Länge des unteren Endes 8 in hingehender Richtung verlagert. Darauf wird die Bewegungsrichtung der Spule umgekehrt, so daß sie sich dann aufwärts bewegt (in F i g. 2 durch einen Pfeil angedeutet). Der Hochfrequenzstrom in der Spule 4 wird langsam gesteigert, wobei die ringförmige Zone während der Heraufbewegung in rückgehender Richtung vertieft wird, bis der feste Kern innerhalb des geschmolzenen Ringes völlig verschwunden ist und die Zone die in F i g. 2 dargestellte Gestalt angenommen hat. Diese Zone 13 muß ihreWhen the zone 9 has reached the monocrystalline lower end 8, the movement of the coil 4 continued for some time, so that the molten zone still extends over part of the length of the lower one End 8 shifted in the outgoing direction. The direction of movement of the coil is then reversed, so that it then moves upwards (indicated by an arrow in FIG. 2). The high frequency current in the coil 4 is slowly increased, the annular zone during the upward movement is deepened in the receding direction until the solid core within the molten ring has completely disappeared and the zone in FIG. 2 has assumed the shape shown. This zone 13 must be yours

ίο Gesamttiefe erreicht haben, bevor sie die ursprüngliche Grenze zwischen dem einkristallinen Endteil 8 und dem darüberliegenden polykristallinen Material erreicht hat. Die Grenze zwischen dem ungeschmolzen gebliebenen Material des Endes 8 und der sich allmählich verbreiternden Zone ist in F i g. 2 durch die gestrichelte Linie 14 wiedergegeben. Der Anwuchs 15 am einkristallinen unteren Ende 8 erweist sich bis zum oberen Stabende gleichfalls als einkristallin, wobei das Kristallgitter des unteren Endes 8 sich im Anwuchs 15 fortsetzt.ίο have reached overall depth before they reached the original Boundary between the monocrystalline end part 8 and the overlying polycrystalline material has reached. The boundary between the unmelted material of the end 8 and the itself gradually widening zone is shown in FIG. 2 reproduced by the dashed line 14. The growth 15 at the monocrystalline lower end 8 also proves to be monocrystalline up to the upper end of the rod, wherein the crystal lattice of the lower end 8 continues in the growth 15.

Die Zonenschmelzbehandlung kann auch in einem länglichen Tiegel stattfinden. Man kann dann an Stelle einer ringförmigen Zone in der hingehenden Richtung eine Zone verwenden, die sich nur von der freien Oberfläche des Materials bis auf einen gewisse Tiefe über dem Boden des Tiegels erstreckt.The zone melting treatment can also take place in an elongated crucible. You can then Place an annular zone in the outgoing direction using a zone that is only different from the free surface of the material extends to a certain depth above the bottom of the crucible.

Claims (2)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verfahren zur Herstellung von Einkristallen aus schmelzbarem Material durch Zonenschmelzen von Stäben aus diesem Material, die am einen Ende mit einem Keimkristall verbunden sind, bei dem das Zonenschmelzen in einer Atmosphäre stattfindet, von der wenigstens ein Bestandteil unter Bildung einer Oberflächenhaut mit dem geschmolzenen Material reagiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Zonenschmelzen an dem dem Keimkristall gegenüberliegenden Ende des Stabes begonnen und die Ziehrichtung nach dem Anschmelzen des Keimkristalls umgekehrt wird.1. Process for the production of single crystals from fusible material by zone melting of rods made of this material, which are connected at one end to a seed crystal where the zone melting takes place in an atmosphere of which at least one component reacts with the molten material to form a surface skin, characterized in that that the zone melting started at the end of the rod opposite the seed crystal and the direction of pulling after the melting of the seed crystal is reversed. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst eine ringförmige Schmelzzone verwendet wird, die nach Umkehren der Ziehrichtung so weit vertieft wird, so daß auch der Kern des Stabes schmilzt.2. The method according to claim 1, characterized in that first an annular melting zone is used, which is deepened after reversing the direction of drawing so that also the core of the rod melts. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings 609 503/245 1.66 © Bundesdruckerei Berlin609 503/245 1.66 © Bundesdruckerei Berlin