DE1113682B

DE1113682B - Verfahren zum Ziehen von Einkristallen, insbesondere aus Halbleitermaterial aus einer an einem Rohr haengenden Schmelze

Info

Publication number: DE1113682B
Application number: DEST13702A
Authority: DE
Inventors: Dr Fritz Guenter Adam
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1958-04-26
Filing date: 1958-04-26
Publication date: 1961-09-14
Also published as: GB912838A

Description

Es ist bekannt, daß Halbleiter für elektrische Halbleitervorrichtungen in vielen Fällen in Form von Einkristallen vorliegen müssen. Zur Herstellung von Einkristallen aus elektrischen Halbleitern, wie Germanium, Silizium oder intermetallischen Verbindungen, sind verschiedene Verfahren bekanntgeworden, bei denen mittels eines Kristallkeimes ein Einkristall aus einer Schmelze des Halbleitermaterials gezogen wird. Bei diesen Verfahren ist es oft schwierig, Verunreinigungen der Schmelze durch das Tiegelmaterial zu vermeiden. Für Halbleiter mit sehr hohem Schmelzpunkt, z. B. Silizium, haben sich diese Verfahren nicht bewährt. Man ist daher mehr und mehr zu dem sogenannten tiegelfreien Ziehverfahren übergegangen. Dieses besteht darin, daß entweder ein mehrkristalliner Stab aus dem Halbleitermaterial ohne Verwendung eines Tiegels zonenweise geschmolzen wird oder daß ein frei aufgestellter Einkristallkeim durch kontinuierliche Zugabe von Halbleitermaterial auf die erhitzte Oberfläche des Kristalls weitergezüchtet wird. Die Zugabe des Halbleitermaterials kann entweder durch Aufschmelzen eines Stabes oder Pulvers aus dem Halbleitermaterial erfolgen oder durch eine chemische Reaktion auf der Oberfläche des erhitzten Keims, beispielsweise durch thermische Zersetzung oder durch Reduktion von entsprechenden Halbleiterverbindungen mit einem Reduktionsmittel, z. B. Wasserstoff.

Obwohl diese tiegelfreien Verfahren große Vorteile bieten, da eine Verunreinigung des Halbleiters weitgehend vermieden wird, haben sich bei der praktischen Ausführung dieses Verfahrens andere Schwierigkeiten ergeben, die bei den Verfahren, bei denen ein Einkristall aus einer in einem Tiegel befindlichen Schmelze gezogen wird, nicht auftreten.

An Hand der Fig. 1 und 2 sollen diese Schwierigkeiten näher erläutert werden.

In Fig, 1 ist ein tiegelfreies Verfahren zur Herstellung von Einkristallen schematisch dargestellt, während Fig. 2 das Ziehen eines Einkristalls aus einer Schmelze zeigt.

Der Einkristallstab 1 nach Fig. 1 wird in seinem oberen Teil 2 durch eine geeignete Heizvorrichtung, ζ. B. durch Induktionsheizung, geschmolzen, und die Schmelze wird durch Zugabe des polykristallinen Materials 3 laufend ergänzt. Dabei werden entweder der Stab 1 oder die Heizvorrichtung so bewegt, daß sich das Halbleitermaterial am unteren Rande der Schmelze verfestigt und der einkristalline Stab nach oben weiterwächst. Bei dem Verfahren nach Fig. 2 befindet sich die Schmelze 2 des Halbleitermaterials im Tiegel 5, und ein Einkristallkeim 1, der mit der

Verfahren zum Ziehen von Einkristallen,

insbesondere aus Halbleitermaterial
aus einer an einem Rohr hängenden Schmelze

Anmelder:

Standard Elektrik Lorenz Aktiengesellschaft, Stuttgart-Zuffenhausen,
Hellmuth-Hirth-Str. 42

Dr. Fritz Günter Adam, Nürnberg,
ist als Erfinder genannt worden

Schmelze zunächst in Berührung gebracht wurde, wird langsam nach oben aus der Schmelze gezogen, wobei er weiterwächst.

Es hat sich gezeigt, daß bei dem tiegelfreien Veras fahren nach Fig. 1 an Stelle von EinkristaUen häufig mehrkristalline Stäbe erhalten werden. Dies ist natürlich unerwünscht, da in den meisten Fällen nur Einkristalle brauchbar sind. Es hat sich gezeigt, daß geringe Mengen von unlöslichen Bestandteilen, z. B. Stäubchen aus Siliziumkarbid, die auf die Schmelze 2 gelangen, an den Rand der Wachstumsfläche wandern und diese Erscheinung hervorrufen. Dadurch läßt es sich auch erklären, daß, nachdem eine Zeitlang ein Einkristall gewachsen ist, an einer bestimmten Stelle plötzlich eine Trennfläche auftritt und der Halbleiter mehrkristallin wird. Diese Schwierigkeiten treten, wie sich gezeigt hat, bei den Tiegelziehverfahren nach Fig. 2 nicht auf, da die störenden Partikeln im allgemeinen an den Rand der Schmelze wandern und nicht an die Wachstumsfläche. Die störenden Teilchen sind in den Fig. 1 und 2 mit 4 bezeichnet. Es ist ferner bekannt, einen stabförmigen Kristall aus der unteren Öffnung eines Tiegels zu ziehen, dessen Inhalt von oben her nachgefüllt wird. Der Tiegel übt bei diesem Verfahren nur die Funktion eines Behälters aus. Das bekannte Verfahren gehört deshalb nicht zur Gruppe der tiegelfreien Ziehverfahren.

Es wurde gefunden, daß beim Ziehen von Einkristallen, insbesondere aus Silizium, Germanium oder intermetallischen Verbindungen, aus einer an einem Rohr hängenden, laufend ergänzten Schmelze

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Störungen des einkristallinen Wachstums, wie sie oben beschrieben wurden, nicht auftreten, wenn erfindungsgemäß ein aus dem zu kristallisierenden Stoff bestehendes Rohr verwendet, das untere Ende des Rohres geschmolzen, in bekannter Weise ein einkristalliner Keim mit der Schmelze in Berührung gebracht und daraus der Kristall gezogen und der Schmelze weiteres Material innerhalb des Rohres zugeführt wird.

Auf diese Weise ist es möglich, nach einem tiegelfreien Verfahren einwandfreie Einkristalle zu ziehen, ohne daß störende Teilchen, die durch die Zugabe des Halbleitermaterials auf die Schmelze gelangen, an die Wachstumsfläche wandern können.

Die Zugabe des Materials kann entweder in Pulverform oder auch in Stabform erfolgen oder durch eine chemische Reaktion bzw. thermische Zersetzung an der Oberfläche der Schmelze innerhalb des Rohres.

Zur Vergrößerung des Querschnittes der Schmelze kann innerhalb des Rohres noch ein Halbleiterstab oder ein weiteres Rohr angeordnet sein, wodurch es möglich wird, Einkristalle von größerem Querschnitt zu erzeugen. Das Verfahren wird zweckmäßig im Vakuum oder in einem Schutzgas durchgeführt, wobei es vorteilhaft ist, den einkristallinen Keim während des Ziehprozesses zu drehen. Die Schmelzzone kann z. B. in bekannter Weise durch induktive Erhitzung erzeugt werden, es ist aber auch möglich, andere Arten der Erhitzung zu verwenden.

Gleichzeitig mit dem Halbleitermaterial können noch Dotierungsstoffe zur Erzeugung verschiedenen Leitungstyps zugegeben werden, wie dies bereits bekannt ist.

Die Erfindung soll an Hand der Figuren näher erläutert werden.

In den Fig. 3 bis 5 sind verschiedene Ausführungsformen des Verfahrens gemäß der Erfindung schematisch dargestellt, während Fig. 6 eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung im Schnitt zeigt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird das Rohr 6 aus Halbleitermaterial an seinem unteren Ende geschmolzen und die Schmelze 2 mit einem einkristallinen Keim aus dem gleichen Halbleitermaterial in Berührung gebracht. Nun wird innerhalb des Rohres 6 weiteres Halbleitermaterial in Form eines Stabes 3 der Schmelze zugeführt und in dem Maße, wie sich die Schmelze an den Keim ankristallisiert, ein einkristalliner Stab 1 nach unten aus der Schmelze gezogen. Es ist dabei wesentlich, daß das Volumen der Schmelze 2 möglichst konstant bleibt. Verunreinigungen, die zu mehrkristallinem Wachstum Anlaß geben können und die mit dem Stab 3 auf die Schmelze gelangen, bleiben innerhalb des Rohres 6 und gelangen nicht an die Wachstumsfläche zwischen dem einkristallinen Stab 1 und der Schmelze 2. Es können deshalb keine Störungen des einkristallinen Wachstums auftreten. Das Rohr 6 wird während des Verfahrens relativ zur Schmelze 2 oder zur Heizung nicht bewegt, so daß sich dieses Rohr nicht verbraucht und immer von neuem verwendet werden kann.

In Fig. 4 ist eine Abwandlung des Verfahrens gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Innerhalb 6g des Rohres 6 aus Halbleitermaterial ist ein Quarzrohr? angeordnet, durch das kontinuierlich kleine Teilchen 8 aus Halbleitermaterial auf die Schmelze innerhalb des Rohres 6 fallen. Die Teilchen 8 aus Halbleitermaterial können beispielsweise durch einen Vibrationsförderer aus einem Vorratsgefäß kontinuierlich in das Rohr 7 gebracht werden. Die Schmelze wird durch die Teilchen 8 laufend in dem Maße ergänzt, wie der Einkristall 1 aus der Schmelze nach unten gezogen wird.

Durch das Quarzrohr 7 können aber auch geeignete chemische Verbindungen des Halbleitermaterials eingeleitet werden, die sich auf der Oberfläche der Schmelzzone 2 innerhalb des Rohres 6 thermisch zersetzen oder durch Reaktion Halbleitermaterial abscheiden. In jedem Falle ist wesentlich, daß die Zugabe des Halbleitermaterials innerhalb des Rohres 6 erfolgt.

Zur Erzeugung von Einkristallstäben größeren Querschnittes kann eine Anordnung nach Fig. 5 verwendet werden. Innerhalb des Rohres 6 ist beispielsweise ein Stab 6 a aus Halbleitermaterial angeordnet, und in dem Zwischenraum zwischen dem Stab 6 a und dem Rohr 6 wird das Halbleitermaterial der Schmelze 2 zugegeben. An Stelle des Stabes 6 a kann auch ein weiteres Rohr aus Halbleitermaterial verwendet werden.

Fig. 6 zeigt im Schnitt eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung. In einem beiderseits dicht abgeschlossenen Quarzrohr 9, das evakuiert ist oder durch das ein Schutzgas strötnt, ist ein Träger 11 angeordnet, der den einkristallinen Stab 1 trägt. An dem Träger 10 ist das Rohr 6 aus Halbleitermaterial befestigt. Zwischen dem Rohr 6 und dem Stab 1 befindet sich die Schmelze 2, die durch eine Heizvorrichtung, beispielsweise durch Hochfrequenzheizung, wie sie bei 12 angedeutet ist, auf der entsprechenden Temperatur gehalten wird. Durch das Quarzrohr 7, das konzentrisch zum Halbleiterrohr 6 angeordnet ist und bis in die Nähe der Schmelze reicht, wird das Halbleitermaterial, beispielsweise in Form von Kügelchen 8, kontinuierlich eingebracht. In dem Maße, wie der Schmelze 2 Halbleitermaterial zugeführt wird, wird der einkristaüine Stab 1 mittels des Trägers 11 gleichmäßig nach unten bewegt und zweckmäßigerweise gleichzeitig gedreht. Zum Druckausgleich innerhalb und außerhalb des Rohres 6 hat der Träger 10 eine Bohrung 10 a.

Es ist auch möglich, daß Halbleitermaterial in Form eines Stabes von unten zuzuführen und den Einkristall aus dem Rohr zu ziehen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum Ziehen von Einkristallen, insbesondere aus Silizium, Germanium oder intermetallischen Verbindungen, aus einer an einem Rohr hängenden, laufend ergänzten Schmelze, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus dem zu kristallisierenden Stoff bestehendes Rohr verwendet, das untere Ende des Rohres (6) geschmolzen, in bekannter Weise ein einkristalliner Keim mit der Schmelze in Berührung gebracht und daraus der Kristall gezogen und der Schmelze weiteres Material innerhalb des Rohres zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das der Schmelze zuzusetzende Material in an sich bekannter Weise durch chemische Reaktion oder thermische Zersetzung

einer entsprechenden Verbindung an der Schmelzoberfläche im Rohr erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu zersetzende Verbindung der Schmelzoberfläche durch ein Quarzrohr (7) zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelze das Material als Stab von unten zugeführt und der Kristall innerhalb des Rohres aus der Schmelze nach oben gezogen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldung S 38055 VI/4Od (bekanntgemacht am 14. 6. 1956);

britische Patentschrift Nr. 784 617;
Zeitschrift für Naturforschung, A, 1958, S. J 05 bis 110.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen