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DE1207636B - Process for the production of wafers from monocrystalline silicon and / or germanium for semiconductor components - Google Patents

Process for the production of wafers from monocrystalline silicon and / or germanium for semiconductor components

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Publication number
DE1207636B
DE1207636B DES73154A DES0073154A DE1207636B DE 1207636 B DE1207636 B DE 1207636B DE S73154 A DES73154 A DE S73154A DE S0073154 A DES0073154 A DE S0073154A DE 1207636 B DE1207636 B DE 1207636B
Authority
DE
Germany
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rod
notch
pressure
longitudinal axis
separated
Prior art date
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Pending
Application number
DES73154A
Other languages
German (de)
Inventor
Dr Josef Grabmaier
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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Priority to FR805164A priority patent/FR1235174A/en
Priority to CH7918459A priority patent/CH386702A/en
Priority to GB34803/59A priority patent/GB898096A/en
Application filed by Siemens Corp filed Critical Siemens Corp
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. σ.:Int. σ .:

Deutsche Kl.: 4Od-3/00German class: 4Od-3/00

Nummer: 1 207 636Number: 1 207 636

Aktenzeichen: S 73154 VI a/40 dFile number: S 73154 VI a / 40 d

Anmeldetag: 27. März 1961Filing date: March 27, 1961

Auslegetag: 23. Dezember 1965Opening day: December 23, 1965

In der Halbleitertechnik werden Scheiben aus Germanium oder Silizium benötigt, die dann entweder unmittelbar zu Halbleiterbauelementen weiterverarbeitet werden oder als orientierte Keime für einkristallines Aufwachsen des Halbleitermaterials aus der Gasphase dienen, wie es beispielsweise in der deutschen Patentschrift 865 160 beschrieben ist.In semiconductor technology, disks made of germanium or silicon are required, which then either can be processed directly into semiconductor components or as oriented seeds for monocrystalline Serve growing the semiconductor material from the gas phase, as it is for example in the German patent 865 160 is described.

In allen Fällen kommt es auf glatte Oberflächen der Scheiben an, da von den Eigenschaften der Oberfläche die Güte der erhaltenen Halbleiterbauelemente, ζ. B. Transistoren und Richtleiter, entscheidend beeinflußt wird.In all cases, the smooth surfaces of the panes are important because of the properties of the surface the quality of the semiconductor components obtained, ζ. B. transistors and directional conductors, decisively influenced will.

Als Ausgangsmaterial stehen für gewöhnlich Halbleiterstäbe zur Verfügung, die durch Ziehen aus der Schmelze nach Czochralski, durch Anwendung des tiegellosen Zonenschmelzens oder durch Abscheiden von Silizium und/oder Germanium aus einer gasförmigen Silizium- oder Germaniumverbindung in einkristalliner Form auf einem dünnen, drahtförmigen einkristallinen Körper aus dem betreffenden Halbleitermaterial gewonnen wurden.Semiconductor rods are usually available as starting material, which can be drawn from the Melt according to Czochralski, by application crucible-free zone melting or by depositing silicon and / or germanium from a gaseous silicon or germanium compound in monocrystalline form on a thin, wire-shaped monocrystalline bodies were obtained from the semiconductor material in question.

Ein solcher Halbleitereinkristallstab muß vor der Weiterverarbeitung zu Halbleiterbauelementen in eine Anzahl von Scheiben zerlegt werden, die im allgemeinen durch senkrecht zur Stabachse führende Schnitte erzeugt werden. Dies geschieht gewöhnlich durch Sägen. Wegen des hohen Preises des Halbleitermaterials, der in erster Linie durch den zur Erzielung der erforderlichen Reinheit bzw. eines definierten Störstellengehaltes notwendigen großen technischen Aufwand bedingt ist, wird bei einem solchen Verfahren das Problem der Schnittverluste von entscheidender Bedeutung. Es wurden deshalb zahlreiche Versuche unternommen, welche das Problem der Schnittverluste befriedigend meistern sollten. Diese Versuche brachten bisher kaum nennenswerte Ergebnisse.Such a semiconductor single crystal rod must be in a number of disks are dismantled, generally through perpendicular to the rod axis Cuts are generated. This is usually done by sawing. Because of the high price of the semiconductor material, which is primarily defined by the to achieve the required purity or a Impairment content is due to the necessary large technical effort, is in such a Proceeding the problem of cutting losses is vital. So there were numerous Attempts have been made which should satisfactorily cope with the problem of cutting losses. These attempts have so far hardly produced any noteworthy results.

Um das Problem der Schnittverluste zu würdigen, seien folgende Ausführungen gemacht. Ein z. B. aus Silizium bestehender Stab von 10 mm Durchmesser und einer Länge von 200 mm kostet etwa DM 500,—. In der Praxis werden aus einem solchen Stab etwa 220 Scheibchen von 0,5 bis 0,6 mm Dicke gewonnen. Der Schnittverlust beträgt erfahrungsgemäß beim Sägen allein schon etwa 40%. Andererseits erscheint aber ein Zersägen des Kristalls als einzige Möglichkeit, um zu ebenen und definierten Trennflächen zu gelangen.In order to appreciate the problem of cutting losses, the following remarks are made. A z. B. off A silicon rod with a diameter of 10 mm and a length of 200 mm costs around DM 500.00. In practice, about 220 slices with a thickness of 0.5 to 0.6 mm are obtained from such a rod. Experience has shown that cutting loss is around 40% when sawing alone. On the other hand appears but a sawing of the crystal is the only way to create flat and defined interfaces to get.

Damit aber das Problem der Schnittverluste auf diese Weise befriedigend gelöst werden kann, ist es Voraussetzung, Stäbe mit exakt maßhaltigem Durchmesser zur Verfügung zu haben, denn Stäbe mit un-Verf ahren zum Herstellen von Scheiben aus
einkristallinem Silizium und/oder Germanium
für Halbleiterbauelemente
So that the problem of cutting losses can be solved satisfactorily in this way, it is a prerequisite to have rods with an exactly dimensionally stable diameter available, because rods with un-procedural methods for producing disks from
single crystal silicon and / or germanium
for semiconductor components

Anmelder:Applicant:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin and Munich,
Munich 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Dr. Josef Grabmaier, VaterstettenDr. Josef Grabmaier, Vaterstetten

gleichförmigem Durchmesser würden nicht nur zu Scheibchen ungleicher Größe führen, sondern die Güte und damit die Brauchbarkeit der erhaltenen Spaltflächen wird, wie die Erfahrung gezeigt hat, wesentlich von der Gleichmäßigkeit des Durchmessers des zur Verfügung stehenden einkristallinen Silizium- oder Germaniumstabes bestimmt.uniform diameter would result not only in disks of unequal size, but also The quality and thus the usefulness of the cleavage surfaces obtained, as experience has shown, significantly depends on the uniformity of the diameter of the available monocrystalline silicon or germanium rod.

In der deutschen Patentschrift 1170 150 ist ein Verfahren zum Ziehen von stabförmigen Halbleiterkristallen, insbesondere von Germanium, aus der Schmelze unter Verwendung eines Keimkristalls, der mit der Schmelze in Berührung gebracht und dann allmählich von ihr zurückgezogen wird, wobei das von dem Keimkristall in Form eines sich verfestigenden Flüssigkeitsstranges mitgeführte Material aus der Schmelze sukzessive unter Bildung eines stabförmigen Körpers erstarrt, beschrieben, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der sich verfestigende Flüssigkeitsstrang durch das elektrische Feld einer oder mehrerer Meßelektroden geführt und die Kapazität der Meßelektrode bzw. der Meßelektroden in bezug auf das an ihnen vorbeigeführte Material laufend überwacht wird, wobei eine durch Abweichungen des Durchmessers des die Schmelze verlassenden Materialstranges bedingte Änderung dieser Kapazität von einem Sollwert durch Anwendung kompensierender Maßnahmen, z. B. durch Temperaturänderung oder Änderung der Ziehgeschwindigkeit, aufgehoben wird.In the German patent specification 1170 150 is a method for pulling rod-shaped semiconductor crystals, in particular of germanium, from the melt using a seed crystal, which is brought into contact with the melt and then gradually withdrawn from it, whereby the material carried along by the seed crystal in the form of a solidifying strand of liquid solidified successively from the melt to form a rod-shaped body, which is described is characterized in that the solidifying strand of liquid by the electric field one or more measuring electrodes out and the capacity of the measuring electrode or the measuring electrodes is continuously monitored with regard to the material passed by them, one due to deviations of the diameter of the strand of material leaving the melt Capacity from a setpoint by applying compensatory measures, e.g. B. by temperature change or changing the pulling speed.

Dieses Verfahren ist in der Lage, stabförmige Halbleiterkristalle mit hoher Gleichmäßigkeit desThis process is able to produce rod-shaped semiconductor crystals with a high degree of uniformity

509 759/457509 759/457

Claims (1)

3 43 4 Stabdurchmessers zu liefern, gleichgültig, ob mit spitze angeritzt wird. Die Länge der Kerbe ist nichtBar diameter, regardless of whether it is scratched with a point. The length of the notch is not einer in einem Tiegel gehalterten Schmelze (tiegel- kritisch. Erfahrungsgemäß benutzt man hierfür na-a melt held in a crucible (crucible-critical. Experience has shown that na- loses Zonenschmelzen) gearbeitet wird. Dieses Ver- türlich gewachsene Kristallbauten,loose zone melting) is worked. This naturally grown crystal structure, fahren läßt sich auch zur Herstellung von einkristal- Das Abtrennen der durch das Anritzen markiertenIt can also be used for the production of single crystal linen Stäben mit beliebiger Orientierung ihrer Längs- 5 Scheibchen kann durch Spalten geschehen. Zu die-Linen rods with any orientation of their longitudinal discs can be done by splitting. To the- achse verwenden, wobei der verwendete Keimkristall sem Zweck wird daher eine druckfeste Schneide aufuse axis, the seed crystal used is therefore a pressure-resistant cutting edge dann einkristallin ist und die Orientierung seines Kri- die angeritzte Stelle angesetzt und unter einem gegenis then monocrystalline and the orientation of its criterion is set against the scratched point and under one against stallgitters zur Ziehrichtung in entsprechender Weise die Mantelfläche des abzutrennenden Teiles stump-Stable grid to the direction of pulling in a corresponding way the outer surface of the part to be separated blunt eingestellt wird. fen Winkel in die Kerbe gedrückt, wodurch der Stabis set. fen angle pressed into the notch, causing the rod Den vorstehenden Ausfü'hrangen zufolge bezieht io infolge der durch die Spitze oder Schneide übertrasich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen genen Druckwirkung an der angeritzten Stelle gespalvon Scheiben aus einkristallinem Silizium und/oder ten wird. Es ist möglich, zu diesem Zweck das zum Germanium, wobei ein den Durchmesser der ge- Anritzen verwendete Werkzeug zu verwenden, sofern wünschten Scheiben besitzender dünner einkristal- dieses der dabei auftretenden Druckbelastung ausliner Stab aus einem dieser Materialien mit {111}- *5 gesetzt werden darf. Bei Diamantwerkzeug ist dies bzw. {100}- bzw. {221}- bzw. {112~}~Orientierung jedoch im allgemeinen nicht der Fall, das deshalb seiner Längsachse gezogen und senkrecht zu seiner durch ein aus entsprechend druckfestem Material, Längsachse in planparallele Scheibchen zerlegt wird. z. B. aus hochwertigem Stahl, bestehendes Spalt-Erfindungsgemäß wird der Stab auf seiner Mantel- werkzeug ersetzt werden muß.
fläche senkrecht zur Längsachse in der Dicke der ge- ao Um das bei diesem Verfahren in vielen Fällen notwünschten Scheibchen entsprechenden Abständen wendige Aufsetzen eines zweiten Werkzeugs auf die angeritzt und durch seitlichen Druck und/oder Zug durch das Anritzen erhaltene Kerbe zu vermeiden unter Ausnutzung der Spaltbarkeit dieser Kristalle an empfiehlt es sich, wenn nach dem Ritzen einer Kerbe der angeritzten Stelle aufgetrennt. Dabei fallen plan- der auf der einen Seite der Kerbe befindliche, im allparallele Scheibchen mit gewünschter Stärke und 25 gemeinen der längere Stabteil festgehalten und der Orientierung an. auf der anderen Seite der Kerbe befindliche Stabteil,
According to the above statements, as a result of the point or cutting edge, the invention relates to a method for producing a pressure effect at the scratched point of disks of monocrystalline silicon and / or disks. For this purpose it is possible to use the tool used for the germanium, with the diameter of the scratches, if desired, thin single crystal disks with the resulting compressive load from a liner rod made of one of these materials set with {111} - * 5 may be. With diamond tools this or {100} - or {221} - or {112 ~} ~ orientation is generally not the case, which is why its longitudinal axis is drawn and perpendicular to its longitudinal axis in plane-parallel through a correspondingly pressure-resistant material Slice is disassembled. z. B. made of high quality steel, existing gap according to the invention, the rod on its jacket tool must be replaced.
surface perpendicular to the longitudinal axis in the thickness of the ao. In order to avoid the necessary spacing required in many cases by placing a second tool on the scratched notch and using lateral pressure and / or pulling through the scratching, using the cleavage It is advisable to use these crystals to separate the incised point after scratching a notch. In doing so, flat discs on one side of the notch, all-parallel, with the desired thickness and, generally speaking, the longer rod part, are held and for orientation. part of the rod located on the other side of the notch,
Falls die Achse des zu zerteilenden Stabes eine der also das abzutrennende Scheibchen, an der Kerbangegebenen Orientierungen aufweist, verläuft die stelle losgelöst wird. Im allgemeinen genügt hierzu durch das in der angegebenen Weise vorgenommene ein gegen die abzutrennende Scheibe geführter Schlag Anritzen erzeugte winzige Kerbe im wesentlichen 30 oder Druck, der von der gleichen Seite, an der sich zwischen aufeinanderfolgenden und zur Stabachse die Kerbe befindet, auf das abzutrennende Scheibsenkrecht stehenden Kristallebenen, z. B. zwischen chen einwirkt.If the axis of the rod to be cut is one of the slices to be cut, indicated at the notch Has orientations, the point is detached. In general, this is sufficient by a blow performed in the manner indicated against the pane to be separated Scoring produced essentially tiny notches or pressure from the same side as that the notch is located between successive and to the rod axis, perpendicular to the pane to be separated standing crystal planes, e.g. B. acts between chen. {lll}-Ebenen, wenn die Achse des Stabes die In der Zeichnung ist ein Beispiel des Verfahrens{lll} planes when the axis of the rod is the In the drawing is an example of the procedure {lll}-Richtung hat. Diese aufgeführten Kristallebe- gemäß der Erfindung dargestellt. Ein Germanium-has {lll} direction. These listed crystals are shown according to the invention. A germanium nen sind aber dadurch ausgezeichnet, daß sie einer- 35 stab 1, der mit einer nicht dargestellten Haltevor-but are characterized by the fact that they have a rod 1, which is equipped with a holding device (not shown) seits Kristallebenen mit dichtester Kugelpackung richtung in der in der Zeichnung dargestellten Weiseon the one hand, crystal planes with the closest packing of spheres in the direction shown in the drawing sind, d. h. Ebenen mit einer großen Anhäufung von gegen eine Unterlage 2 gedrückt wird, wird mittelsare, d. H. Layers with a large accumulation of is pressed against a base 2 is means of Gitterbausteinen, und daß andererseits zwischen be- einer scharfkantigen Schneide 4 an der vorher durchLattice blocks, and that on the other hand between a sharp-edged cutting edge 4 on the previous one nachbarten Ebenen dieser Art nur wenig Si-Si- bzw. Anritzen erzeugten Kerbe 3 gespaltet. Auf dieseAdjacent levels of this type only little Si-Si or scratches generated notch 3 split. To this Ge-Ge-Verbindungen pro Flächeneinheit wirksam 40 Weise können Scheibchen von 50 μ bis 2 mm StärkeGe-Ge compounds effective 40 ways per unit area can produce disks from 50 μ to 2 mm thick sind. Diese beiden charakteristischen Merkmale für und darüber ohne Schwierigkeiten hergestellt werden.are. These two characteristic features for and above can be established without difficulty. Spaltebenen sind die Ursache für die Möglichkeit Besonders glatte, gleichmäßige Oberflächen derCleavage planes are the cause of the possibility of particularly smooth, even surfaces of the einer leichten Durchtrennung von Kristallstäben bzw. abgespalteten Scheibchen erhält man erfahrungsge-a slight severing of crystal rods or split-off slices is obtained from experience für die leichte Abtrennung von definierten Scheib- maß, wenn die beim Spalten neu gebildete Flächefor easy separation of defined slice dimensions when the area newly formed during splitting chen von solchen Stäben parallel zu den genannten 45 größer als das Quadrat der Dicke der Scheibchen ist.Chen of such rods parallel to the aforementioned 45 is greater than the square of the thickness of the disks. ausgezeichneten Kristallebenen. Die Bruchflächen Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ergebenexcellent crystal planes. The fracture surfaces result in the method according to the invention der auf diese Weise hergestellten Scheibchen sind sich folgende Vorteile: erstens fast keine Schnittver-the slices produced in this way have the following advantages: firstly, almost no cuts vollkommen glatt und eben, so daß ein Abschleifen luste, zweitens keine Einschleppung von unerwünsch-completely smooth and even, so that there is no need for grinding, secondly, no introduction of undesirable und/oder Läppen und/oder mechanisches Polieren ten Verunreinigungen beim Auftrennen, was beimand / or lapping and / or mechanical polishing th impurities when separating, what when dieser Bruchflächen nicht erforderlich ist. Zur Wei- 50 Sägen der Kristalle keinesfalls sichergestellt ist, drit-this fracture surface is not required. 50 sawing of the crystals is by no means guaranteed, third terbehandlung ist höchstens eine Oberflächenreini- tens eine ungestörte Oberfläche, die ohne weitereTreatment is at most a surface cleaning of an undisturbed surface, without further gung und/oder eine kurzzeitige Ätzbehandlung nötig, Verluste an Material unmittelbar weiterverarbeitetand / or a short-term etching treatment is necessary, losses of material are processed further immediately um gegebenenfalls nachträglich gebildete Oxydstel- werden kann,
len zu beseitigen. Wird die Berührung mit Luft oder
in order to be able to possibly subsequently formed oxide,
len to eliminate. Will contact with air or
anderen oxydierenden Medien ausgeschaltet, so kann 55 Patentansprüche:
gegebenenfalls auf eine Ätzbehandlung vollkommen
other oxidizing media switched off, so can 55 claims:
if necessary to an etching treatment completely
verzichtet werden. 1. Verfahren zum Herstellen von Scheiben ausbe waived. 1. Method of making slices from Wegen der Härte der zu behandelnden Stäbe ist einkristallinem Silizium und/oder Germanium, die Wahl der zum Anritzen zu verwendenden Werk- wobei ein den Durchmesser der gewünschten zeugmaterialien beschränkt. In erster Linie kommt 60 Scheiben besitzender einkristalliner dünner Stab Diamant in Frage, so daß die Kerben zweckmäßig aus einem dieser Materialien mit {111}- bzw. durch Ritzen mit einer Diamantspitze oder Diamant- {100}- bzw. {221}- bzw. {112"}-Orientierung schneide erzeugt werden. Die Tiefe der Kerbe seiner Längsachse gezogen und senkrecht zu seibraucht nur einige Mikron zu betragen und wird am ner Längsachse in planparallele Scheibchen zereinfachsten erzeugt, indem der in einer Führung ge- 65 legt wird, dadurch gekennzeichnet, daß halterte Stab durch die unter entsprechendem Druck der Stab auf seiner Mantelfläche senkrecht zur tangential gegen die Oberfläche des Stabes geführte, Längsachse in der Dicke der gewünschten Scheibsenkrecht zu seiner Längsachse bewegte Diamant- chen entsprechenden Abständen angeritzt undBecause of the hardness of the rods to be treated, monocrystalline silicon and / or germanium, the choice of the work to be used for scribing - with the diameter of the desired one constructions materials limited. First and foremost, there is a single crystal thin rod with 60 disks Diamond in question, so that the notches are expediently made of one of these materials with {111} or by scoring with a diamond tip or diamond {100} or {221} or {112 "} orientation cutting edge can be generated. The depth of the notch of its longitudinal axis is drawn and perpendicular to it to be only a few microns and is most simplified on the longitudinal axis into plane-parallel slices generated by laying it in a guide, characterized in that held the rod by applying the appropriate pressure to the rod on its lateral surface perpendicular to the Tangential against the surface of the rod, longitudinal axis in the thickness of the desired washer perpendicular small diamonds moving to its longitudinal axis are scored at corresponding distances and durch seitlichen Druck und/oder Zug unter Ausnutzung der Spaltbarkeit dieser Kristalle an der angeritzten Stelle aufgetrennt wird.by lateral pressure and / or tension, taking advantage of the cleavage of these crystals on the incised area is separated. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in einer Führung gehalterte Stab durch eine unter entsprechendem Druck tangential gegen die Oberfläche des Stabes gedrückte, senkrecht zu seiner Längsachse bewegte Spitze oder Schneide aus entsprechend hartem Material, insbesondere Diamant, angeritzt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the held in a guide Rod by an under appropriate pressure tangentially against the surface of the rod pressed tip or cutting edge moved perpendicular to its longitudinal axis hard material, especially diamond, is scratched. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine feste Schneide oder Spitze auf die angeritzte Stelle angesetzt und unter einem stumpfen Winkel zur Mantellinie des abzutrennenden Scheibchens in die Kerbe gedrückt und das Scheibchen infolge des durch das Werkzeug übertragenen Druckes abgespalten wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a fixed cutting edge or The point is set on the incised point and at an obtuse angle to the surface line of the The disc to be separated is pressed into the notch and the disc as a result of the Tool transferred pressure is split off. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ritzen einer Kerbe das abzutrennende Scheibchen von dem festgehaltenen Stab durch Druck oder Schlag abgetrennt wird.4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that after the scratching one Notch the disc to be separated separated from the held rod by pressure or impact will. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltfläche größer als das Quadrat der Dicke der abzutrennenden Scheibchen gewählt ist.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the gap surface greater than the square of the thickness of the slice to be separated is chosen. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen For this purpose, 1 sheet of drawings 509 759/457 12.65 © Bundesdruckerei Berlin509 759/457 12.65 © Bundesdruckerei Berlin
DES73154A 1958-10-15 1961-03-27 Process for the production of wafers from monocrystalline silicon and / or germanium for semiconductor components Pending DE1207636B (en)

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