DE2542859A1

DE2542859A1 - Support for semiconductor rod in zone melting - using conical shroud filled with particles to prevent oscillations

Info

Publication number: DE2542859A1
Application number: DE19752542859
Authority: DE
Inventors: Gerhard Barowski
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1975-09-25
Filing date: 1975-09-25
Publication date: 1977-04-07

Abstract

The specific. is an addn. to 2358300, which describes a method of supporting a semiconductor rod used in crucible-less zone metling for the prodn. of semi-conductor crystals. The rod, which is held vertically at either end, and which has the seed crystal fused to its lower end, is supported at its lower end by an axially moveable and rotatable inverse conical shroud. It is filled with a particulate material specifically hollow steel balls. The wall thickness of the balls is pref. about one tenth of thier dia., which is pref. 2 mm-20 cm. When the balls are placed in the cone there is no dust formation and reduced disturbance of the semi-conductor rod. The low weight of the balls enables the cone to be moved axially more easily and with less disturbance.

Description

Vorrichtung zum Abstützen des den Keimkristall enthaltendenDevice for supporting the containing the seed crystal

Stabendes beim tiegelfreien Zonensehmelzen.Bar end for crucible-free zone melting.

Zusatz zum Patent VPA 73/1237 (Patentanmeldung P 23 58 300.8) Die Hauptanmeldung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abstützen des den Keimkristall enthaltenden Stabendes beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines an seinem unteren Ende mit dem angeschmolzenen Keimkristall versehenen, senkrecht an den beiden Enden gehalterten Halbleiterkristallstabes durch eine mit der Halterung des Keimkristallstabes gekoppelte, axial verschiebbare und drehbare, in ihrer höchsten Lage den über dem Keimkristall liegenden Konusbereich des Stabes umschließende Trichterhülse, welche mit Mitteln zur Abstützung im Konusbereich des Stabes versehen ist.Addition to the patent VPA 73/1237 (patent application P 23 58 300.8) The main application relates to a method and a device for supporting the The end of the rod containing seed crystal during the crucible-free zone melting one at his the lower end with the fused seed crystal, perpendicular to the two Ends held semiconductor crystal rod by a with the holder of the seed crystal rod coupled, axially displaceable and rotatable, in their highest position the one above The funnel sleeve enclosing the seed crystal lying conical area of the rod, which is provided with means for support in the cone area of the rod.

Durch eine solche Trichterhülse, welche z.B. mit Quarzsand oder flüssig-eingefülltem erstarrtem Metall gefüllt ist, wird erreicht, daß Vibrationen vermieden werden, welche auftreten, wenn beim tiegelfreien Zonenschmelzen die Schmelzzone zu weit (ca. 50 cm, je nach Durchmesser) von der Anschmelzstelle des Keimkristalles bzw. die zur Vermeidung von Kristallversetzungen am Keimkristall gezogene flaschenhalsförmige Dünnstelle entfernt und das Stabgewicht auf dem Flaschenhals zu groß geworden ist.Through such a funnel sleeve, which e.g. with quartz sand or liquid-filled solidified metal is filled, it is achieved that vibrations are avoided, which occur when the melting zone is too wide in crucible-free zone melting (approx. 50 cm, depending on the diameter) from the melting point of the seed crystal or the bottle neck-shaped one drawn on the seed crystal to avoid crystal dislocations Thin section removed and the weight of the rod on the neck of the bottle has become too great.

Bei dem in der Haupt anmeldung beschriebenen Verfahren wird die Abstützhülse, bevor die Schmelzzone die für das Auftreten der Schwingungen kritische Entfernung von der Anschmelzstelle eimkristall/Halbleiterkristallstab erreicht hat, durch von außen einwirkende Antriebsmittel soweit nach oben verschoben, daß sie den über dem Xeimkristall liegenden Konusbereich des Halbleiterkristallstabes umschließt und dann mit dem Stabilisierungsmaterial gefüllt.In the process described in the main application, the support sleeve, before the melting zone the critical distance for the occurrence of the vibrations from the melting point has reached single crystal / semiconductor crystal rod by from externally acting drive means moved upward so far that they the encloses the cone area of the semiconductor crystal rod lying above the seed crystal and then filled with the stabilizing material.

Gemäß einem anderen Vorschlag kann aber auch die bereits gefüllte Trichterhülse hochgeschoben werden. Dadurch kann die Einfüllvorrichtung für das Stabilisierungsmaterial eingespart werden und außerdem vermieden werden, daß eine "Staub"-Entwicklung durch Reibung der fallenden Kugeln oder Körner während des Zonenschmelzens entsteht, welche das Wachstum des Halbleiterkristallstabes stört.According to another suggestion, however, the already filled Funnel sleeve are pushed up. This allows the filling device for the Stabilizing material can be saved and also avoided that a "Dust" development due to the friction of the falling balls or grains during zone melting arises, which interferes with the growth of the semiconductor crystal rod.

Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, besteht ebenfalls in der Vermeidung von Kristallwachstumsstörungen bedingt durch die auftretende Staub-Entwicklung und/oder durch auftretende Schwingungen beim Einfüllen oder Handhaben der Abstützhülse.The object on which the present invention is based exists also in the avoidance of crystal growth disturbances caused by the occurring Dust development and / or due to vibrations occurring during filling or handling the support sleeve.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Trichterhülse mit Stahlhohlkugeln gefüllt ist.This object is achieved according to the invention in that the funnel sleeve is filled with hollow steel balls.

Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, daß die Wandstärke der Stahlnohlkugeln so bemessen ist, daß sie im Bereich von ungefähr 1/10 des Kugeldurchmessers liegt. Die Größe der Kugeln liegt im Bereich von 2 mm bis 2 cm.It is within the scope of the invention that the wall thickness of the hollow steel balls is dimensioned so that it is in the range of about 1/10 of the ball diameter. The size of the balls is in the range from 2 mm to 2 cm.

Durch die Verwendung der Stahlhohlkugeln im Gegensatz zu den in der Hauptanmeldung verwendeten Glas- oder Quarzkugeln wird erreicht, daß beim Einfüllen oder Handhaben der Abstützhülse kein Abriebstaub entstehen kann. Außerdem werden durch das geringere Gewicht der Stahlhohlkugeln weniger Vibrationen beim Einfüllen in die Trichterhülse erzeugt, was sich äußerst günstig auf das Kristallwachstum des gezogenen Halbleiterstabes auswirkt. Ein weiterer Vorteil ist, bedingt durch das geringere Gewicht, die bessere Handhabung der Abstützhülse sowohl beim Füllen, Hochschieben, Absenken und Entleeren.By using the steel hollow balls in contrast to those in the Main application used glass or quartz balls is achieved that when filling or handling the support sleeve, no abrasion dust can arise. Also be Due to the lower weight of the hollow steel balls, fewer vibrations when filling generated in the funnel sleeve, which is extremely beneficial to crystal growth of the drawn semiconductor rod. Another benefit is due the lower weight, the better handling of the support sleeve during filling, Pushing up, lowering and emptying.

Die Erfindung soll an Hand eines Ausführungsbeispiels und der in der Zeichnung befindlichen Fig. 1 und 2 noch näher erläutert werden.The invention is based on an embodiment and in the FIGS. 1 and 2 located in the drawing are explained in more detail.

Dabei zeigt Fig. 1 im Schnittbild die Vorrichtung nach der Lehre der Erfindung vor dem Abstützen des Stabendes und Fig. 2 die Anordnung während des Abstützens.1 shows a sectional view of the device according to the teaching of Invention before the support of the rod end and FIG. 2 shows the arrangement during support.

In Fig. 1 ist ein einkristalliner Keimkristall 2 in einer Halterung 3 befestigt. Der Keimkristall 2 ist mit dem unteren Ende eines Halbleiterkristallstabes 4, z.B. aus Silicium, verbunden. Eine mittels einer Induktionsheizspule 5 hergestellte Schmelzzone 6 wird auf Grund einer Relativbewegung zwischen dem Halbleiterkristallstab 4 und der Induktionsheizspule 5 in axialer Richtung durch den Halbleiterkristallstab 4, ausgehend von der Anschmelzstelle des Keimkristalles 2, hindurchbewegt.In Fig. 1, a single-crystal seed crystal 2 is in a holder 3 attached. The seed crystal 2 is with the lower end of a semiconductor crystal rod 4, e.g. made of silicon. One produced by means of an induction heating coil 5 Melting zone 6 is due to a relative movement between the semiconductor crystal rod 4 and the induction heating coil 5 in the axial direction through the semiconductor crystal rod 4, starting from the melting point of the seed crystal 2, moved through.

Eine Trichterhülse 7 aus Titan, Silicium, Stahl oder Graphit umschließt die Stabhalterung 3 und ist.durch von außen einwirkende Antriebsmittel (in der Zeichnung nicht dargestellt) relativ zur Stabhalterung 3 in axialer Richtung verschiebbar ausgebildet. Bei der Drehung der Stabhalterung 3 wird die Trichterhülse 7 mitgedreht. Die Trichterhülse 7 ruht auf einem Zapfen 8, der an einer innerhalb der Stabhalterung 3 angeordneten, in axlaler Richtung bewegbaren Stange 9 angebracht ist und sich in einem Pührungsschlitz 10 in der Stabhalterung 3 befindet. Mit dem Bezugszeichen 11 ist der Bodenteil der für das tiegelfreie Zonenschmelzen vorgesehenen Kammer bezeichnet. Die notwendigen Abdichtangen sind der Übersichtlichkeit wegen in der Zeichnung nicht dargestellt.A funnel sleeve 7 made of titanium, silicon, steel or graphite encloses the rod holder 3 and ist.by externally acting drive means (in the drawing not shown) relative to the rod holder 3 in the axial direction educated. When the rod holder 3 is rotated, the funnel sleeve 7 is also rotated. The funnel sleeve 7 rests on a pin 8 which is attached to an inside the rod holder 3 arranged, axially movable rod 9 is attached and itself is located in a guide slot 10 in the rod holder 3. With the reference number 11 is the bottom part of the chamber provided for crucible-free zone melting designated. The necessary Abdichtangen are for the sake of clarity in the Drawing not shown.

Fig. 1 zeigt den SchmelzzonendurchgaiIg vor dem Abstützen des Stabendes, das am dünnen, zuvor durch Aufschmelzen der Verschmelzungsstelle zwischen dem Halbleiterkristallstab 4 und dem Keimkristall 2 und Entfernen derselben voneinander in axialer Richtung erzeugten Verbindungsstück 12, der sogenannten flaschenhalsförmigen Verengung, einkristallin und versetzungsfrei angewachsen ist. Da sowohl der Halbleiterkristallstab 4 als auch der Keimkristall 2 Drehungen um ihre Achse ausführen, besteht die Gefahr, daß das an der flaschenhalsförmigen Verengung 12 angewachsene Ende des Halbleiterkristallstabes 4 zu schwingen beginnt, wenn die Schmelzzone 6 sich zu weit von der Anschmelzstelle zwischen Keimkristall 2 und Halbleiterkristallstab 4 entfernt hat. Bei Siliciumstäben von etwa 40 mm Durchmesser ist dies z.B. der Fall, wenn die Schmelzzone etwa 70 cm vom dünnen Verbindungsstück 12 entfernt ist. Die Schwingungsamplituden werden oft so groß, daß man den Ziehvorgang unterbrechen muß.Fig. 1 shows the melt zone passage before the rod end is supported, on the thin, previously by melting the fusion point between the semiconductor crystal rod 4 and the seed crystal 2 and removing them from each other in the axial direction generated connector 12, the so-called bottle neck-shaped Constriction, has grown monocrystalline and free of dislocations. As both the semiconductor crystal rod 4 as well as the seed crystal 2 rotations around their axis, there is a risk of that the grown at the bottle neck-shaped constriction 12 end of the semiconductor crystal rod 4 begins to oscillate when the melting zone 6 is too far from the melting point has removed between seed crystal 2 and semiconductor crystal rod 4. With silicon rods of about 40 mm in diameter, this is the case, for example, when the melting zone is about 70 cm from the thin connector 12. The vibration amplitudes are often so big that you have to interrupt the drawing process.

Bevor die Schmelzzone 6 die für das Auftreten der Schwingungen kritische Entfernung von der flaschenhalsförmigen Verengung 12 erreicht hat, wird die Trichterhülse 7 mit Hilfe der Stange 9 so weit nach oben geschoben, daß sie den über dem Keimkristall liegenden Konusbereich des Halbleiterkristallstabes 4 - wie in der Figur 2 gezeigt wird - umschließt. Durch das Einfüllen des Stabilisierungsmittels in die Trichterhülse 7 beginnt dann der Abstützvorgang.Before the melting zone 6 the critical for the occurrence of the vibrations Distance from the bottle neck-shaped constriction 12 is reached, the funnel sleeve 7 pushed so far up with the help of the rod 9 that it is above the seed crystal lying cone region of the semiconductor crystal rod 4 - as shown in FIG is - encloses. By pouring the stabilizing agent into the funnel sleeve 7 then begins the support process.

Fig. 2 zeigt das Einfüllen der als Abstützmittel verwendeten hohlen Stahlkugeln 13 mittels einer Einfüllvorrichtung 14. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, können nunmehr keine Schwingungen des auf der flaschenhalsförmigen Verengung 12 sitzenden Halbleiterkristallstabes 4 entstehen. Der an den Keimkristall 2 und die flaschenhalsförmige Verengung 12 anschließende untere Stabteil 4 ist bereits so kalt, daß auch keine Versetzungsbildung im Kristall mehr erfolgt. Ansonsten gelten die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1.Fig. 2 shows the filling of the hollow used as support means Steel balls 13 by means of a filling device 14. As can be seen from FIG. 2, can now no vibrations of the on the bottle neck-shaped constriction 12 seated semiconductor crystal rod 4 arise. The to the seed crystal 2 and the Bottleneck-shaped constriction 12 adjoining lower rod part 4 is already so cold, so that there is no longer any dislocation formation in the crystal. Otherwise apply the same reference numerals as in FIG. 1.

Es ist aber ebenso möglich, die Trichterhülse bereits vor dem Hochschieben mit den hohlen Stahlkugeln zu füllen oder anstelle der in Fig. 1 und 2 abgebildeten Trichterhülse eine Abstützhülse zu verwenden; welche aus mehreren Teilen besteht, die durch ein Klappsystem miteinander verbunden sind.But it is also possible to remove the funnel sleeve before pushing it up to fill with the hollow steel balls or instead of those shown in Figs Funnel sleeve to use a support sleeve; which consists of several parts, which are connected to each other by a folding system.

2 Figuren 3 Patentansprüche2 Figures 3 claims

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Device for supporting the den The end of the rod containing the seed crystal during the deep-free zone melting of one at his the lower end with the fused seed crystal, perpendicular to the two Ends held semiconductor crystal rod by a with the holder of the seed crystal coupled, axially displaceable and rotatable, in their highest position the one above Seed crystal lying conical area of the rod enclosing funnel sleeve, which is provided with means for support in the cone area of the rod according to patent .................. (DT-OS 23 58 300 = VPA 73/1237), d a d u r c h e k e n n n n z e i c h n e t that the funnel sleeve is filled with hollow steel balls.

2. Apparatus according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e 1 c h n e t that the wall thickness of the balls is dimensioned so that they are in the range of is about 1/10 of the diameter of the sphere.

3. Apparatus according to claim 1 and 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the balls have a diameter in the range of 2 mm up to 2 cm exhibit.