DE1175447B - Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-kristallen durch tiegelfreies Zonenschmelzen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-kristallen durch tiegelfreies Zonenschmelzen

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DE1175447B
DE1175447B DEL17811A DEL0017811A DE1175447B DE 1175447 B DE1175447 B DE 1175447B DE L17811 A DEL17811 A DE L17811A DE L0017811 A DEL0017811 A DE L0017811A DE 1175447 B DE1175447 B DE 1175447B
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DE
Germany
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rod
liquid zone
semiconductor
crystal
zone
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DEL17811A
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English (en)
Inventor
Dr Phil Werner Koch
Dipl-Phys Adolf Elsas
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Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Original Assignee
Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B13/00Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting
    • C30B13/08Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting adding crystallising materials or reactants forming it in situ to the molten zone
    • C30B13/10Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting adding crystallising materials or reactants forming it in situ to the molten zone with addition of doping materials

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
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  • Liquid Deposition Of Substances Of Which Semiconductor Devices Are Composed (AREA)

Description

  • Verfahren zur Herstellung von Halbleiterkristallen durch tiegelfreies Zonenschmelzen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von hochreinen oder/und mit bestimmten Zusätzen an Verunreinigungen versehenen Halbleiterkristallen, insbesondere von Halbleiterkristallen, bei dem durch eine Heizvorrichtung in einem stabförmigen, senkrechten und nur an seinen Enden gehalterten Halbleiterkristall eine Zone geschmolzen und durch eine Relativbewegung zwischen dem Halbleiterkristall und der Heizvorrichtung die flüssige Zone längs der Stabachse durch den Halbleiterkristall geführt wird. Diese Halbleiterkristalle finden Verwendung in Halbleitervorrichtungen, die der Gleichrichtung, der Verstärkung von elektrischen Größen oder von Lichtenergie, der elektrischen Schwingungserzeugung, der Schaltung oder der Steuerung von elektrischen Stromkreisen dienen.
  • Die Herstellung von hochreinen oder/und mit bestimmten Zusätzen an Verunreinigungen versehenen Halbleiterkristallen, insbesondere von Halbleitereinkristallen, kann nach einem bekannten Verfahren dadurch bewirkt werden, daß durch eine Heizvorrichtung in einem stabförmigen, senkrechten und nur an seinen Enden gehalterten Halbleiterkristall eine Zone geschmolzen wird, der Halbleiterkristall und die Heizvorrichtung eine solche Relativbewegung ausführen, daß die flüssige Zone längs der Stabachse durch den Halbleiterkristall wandert. Dabei kann eine kontinuierliche Rotation der flüssigen Zone um eine Achse vorgesehen werden, indem der Stabteil, an dem die flüssige Zone ankristallisiert, eine Drehbewegung, die mit dem Weg des Mittelpunktes der flüssigen Zone bzw. der Heizvorrichtung zusammenfällt, ausführt. Durch diese Drehbewegung wird beabsichtigt, eine ungleiche Erhitzung der flüssigen Zone über ihren Querschnitt hinweg auszugleichen.
  • Bis zum Vorliegen eines z. B. für Kristallverstärker brauchbaren Halbleitermaterials ist eine Reihe von Schritten zu dessen Fertigung erforderlich. Nach der Gewinnung des Rohmaterials nach einem bekannten Verfahren besitzt der Halbleiter noch eine erhebliche Menge an elektrisch wirksamen Verunreinigungen. Der nächste Schritt besteht in einer sehr extremen Reinigung des Halbleiters. Hierauf kann die Beimischung von geringen ausgewählten Verunreinigungen erfolgen. Diese geringe Zugabe an Verunreinigungen bewirkt dann im Halbleiter die Störstellenleitung.
  • Zur Reinigung eines Halbleiterkristalles kann in folgender bekannter Weise verfahren werden. Es wird ein stabförmiger Halbleiterkristall nur an seinen beiden Enden gehaltert. Der Kristallstab wird in senkrechter Lage gehalten. Durch eine Heizvorrichtung wird eine Zone des Kristallstabes nahe dem einen Ende geschmolzen und als flüssige Zone längs der Stabachse durch den Kristallstab geführt.
  • Indem mehrfach und in gleicher Richtung eine flüssige Zone durch den Kristallstab geführt wird, erzielt man eine fortschreitende Reinigung des Kristallstabes.
  • Eine andere bekannte Anordnung zum Zonenschmelzen von Halbleitereinkristallen weist einen wannenförmigen, den Halbleiterkörper aufnehmenden Tiegel auf. Bei Verwendung dieser Anordnung zum Zonenschmelzen wird bei einer azimutalen Ungleichmäßigkeit der Heizvorrichtung oder bei einer exzentrischen Führung des Halbleiterkörpers bzw. des Tiegels durch die Heizvorrichtung eine ungleichmäßige Erhitzung der Schmelzzone eintreten. Bei der bekannten Anordnung kommt der Halbleiterkörper sowie die Schmelzzone in Berührung mit dem wannenförmigen Tiegel, der durch Verunreinigungen, die aus ihm in die Schmelzzone übertreten, sowie die an der Berührungslinie von Kristallisationsfront und Tiegelwand vorhandene erhöhte Zahl von Kristallisationskeimen die Reinigungswirkung beeinträchtigt. Bei diesem bekannten Verfahren tritt daher die Wirkung, die allein an die relativ zu dem Halbleiterkristall ruhende Schmelzzone geknüpft ist, wegen des Einflusses der nicht ganz zu vermeidenden Unsymmetrie der Erhitzung sowie der Tiegelwandung nicht hervor.
  • Gemäß der Erfindung wird zur Herstellung von hochreinen oder/und mit bestimmten Zusätzen an Verunreinigungen versehenen Halbleiterkristallen, insbesondere von Halbleitereinkristallen, bei der durch eine Heizvorrichtung in einem stabförmigen, senkrechten und nur an seinen Enden gehalterten Halbleiterkristall eine Zone geschmolzen und durch eine Relativbewegung zwischen dem Halbleiterkristall und der Heizvorrichtung die flüssige Zone längs der Stabachse durch den Halbleiterkristall geführt wird, so verfahren, daß gleichzeitig mit der Relativbewegung eine solche Drehbewegung des Halbleiterkristalles um eine mit dem Weg des Mittelpunktes der flüssigen Zone bzw. der Heizvorrichtung mindestens angenäherte zusammenfallende Achse bewirkt wird, bei welcher die Drehbewegung des Stabteiles oberhalb der flüssigen Zone gleichsinnig und mit gleicher Drehzahl zu der Drehbewegung des Stabteiles unterhalb der flüssigen Zone erfolgt.
  • Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung gelingt es, die Ungleichmäßigkeiten zu vermeiden, die durch eine nicht gleichmäßige Erhitzung hervorgerufen wird, und die Güte des Kristallwachstums dadurch zu steigern, daß die Schmelzzone in relativer Ruhe zu dem Halbleiterkristall bleibt. Während bei der Rotation eines Stabteiles oder bei einer gegensinnigen Rotation beider Stabteile eine starke Bewegung der Schmelzzone zustande kommt, kann diese Bewegung nach dem Verfahren gemäß der Erfindung bei dem tiegelfreien Zonenschmelzen vermieden werden. Durch die Verbesserung des Kristallwachstums in dem kristallisierenden Stabteil bei dem Verfahren gemäß der Erfindung kann beispielsweise auch die Reinigungswirkung eines Zonendurchganges erhöht werden, da die Abscheidungen an den Korngrenzen der Kristalle, die die Abscheidungen durch Einbau in das Kristallgitter meist übertreffen, weiter herabgesetzt werden können.
  • In Weiterbildung der Erfindung kann zur Herstellung von Halbleiterkristallen mit bestimmten Zusätzen an Verunreinigungen so verfahren werden, daß dem Halbleiterkristall die Zusätze an Verunreinigungen in axialen Bohrungen aufgegeben werden und die flüssige Zone längs der Stabachse über die axialen Bohrungen geführt wird. Die Zusätze werden so mit der flüssigen Zone in den Kristallstab gebracht und in dem Kristallstab durch Abscheidung verteilt. Durch mehrmaliges Hin- und Herführen der flüssigen Zone in dem Kristallstab kann eine gute Verteilung der Zusätze bewirkt werden.
  • Die Herstellung von hochreinen oder/und mit bestimmten Zusätzen an Verunreinigungen versehenen Halbleiterkristallen kann unter einer Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum vorgenommen werden.
  • In einer Zeichnung ist in zum Teil schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung erläutert. Es ist ein Schnitt durch einen Kristallstab 1 bis 3, zwei Halter 4, eine Heizvorrichtung 5 und eine axiale Bohrung 6 gezeichnet. Bei dem Kristallstab 1 bis 3 soll es sich beispielsweise um einen reinen Halbleiterkristall handeln, dem ein Zusatz an Verunreinigungen beigemischt wird. Die Beimengung kann durch zwei Bohrungen 6 erfolgen. In .dem Stadium des Verfahrens, wie es das Beispiel der Figur darstellt, ist nur noch eine Bohrung 6 vorhanden. Die zweite Bohrung 6 befand sich am Ende des Stabteiles 3, etwa symmetrisch zu der in der Figur gekennzeichneten Bohrung 6 am Ende des Stabteiles 2. Durch den Kristallstab 1 bis 3 wird eine flüssige Zone 1 geführt. Der Pfeil neben dem Kristallstab 1 bis 3 zeigt eine Bewegungsrichtung der flüssigen Zone 1 an. Die Heizvorrichtung 5 werde beispielsweise in Richtung des gezeichneten Pfeils geführt. Der Inhalt der Bohrung 6, die sich in dem Stabteil 3 befand, wurde in dem in der Figur dargestellten Stadium des Verfahrens, nämlich im ersten Durchgang der flüssigen Zone 1, von dieser aufgenommen. Über der flüssigen Zone 1 befindet sich ein Stabteil 2; der feste Kristall, der beim ersten Durchgang der flüssigen Zone 1 also noch keine Änderung erfahren hat. Unter der flüssigen Zone 1 befindet sich ein Stabteil 3, der gewachsene und im Beispiel mit dem Zusatz an Verunreinigung vermischte Kristall. Der gekrümmte Pfeil unter dem Kristallstab zeigt die Drehbewegung des Kristallstabes an, bei der sich die beiden festen Stabteile 2 und 3 samt der flüssigen Zone 1 mit gleichem Drehsinn und gleicher Drehzahl drehen.
  • Die Zeichnung kann in ihrer zum Teil schematischen Darstellung auch zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispieles des Verfahrens dienen. In diesem Ausführungsbeispiel soll es sich um die Reinigung eines Kristallstabes handeln, während das vorhergehende Ausführungsbeispiel die Beimischung von Verunreinigungen zu einem Halbleiterkristall betraf. Die gezeichnete Figur stellt wiederum einen Schnitt durch den Kristallstab 1 bis 3, die Halter 4 und die Heizvorrichtung 5 dar. Eine Bohrung 6 bzw. mehrere Bohrungen erhält der zur Reinigung bestimmte Kristallstab nicht. Mittels der Heizvorrichtung 5 wird beispielsweise an einem Stabende eine flüssige Zone 1 geschmolzen. Diese flüssige Zone 1 wird durch den Kristallstab 1 bis 3 geführt. Die Figur zeigt wiederum ein Stadium des Verfahrens, in welchem die flüssige Zone 1 den Kristallstab 1 bis 3 durchwandert. Die Bewegungsrichtung der flüssigen Zone 1 ist aus dem Pfeil neben dem Kristallstab 1 bis 3 ersichtlich. Die Führung der flüssigen Zone 1 nach oben, werde beispielsweise wiederum durch die Bewegung der Heizvorrichtung in Pfeilrichtung erhalten. über der flüssigen Zone 1 befindet sich ein Stabteil 2, der feste Kristall, der vor Beendigung des ersten Durchganges der flüssigen Zone 1 noch die ursprünglichen Verunreinigungen enthält. Unter der flüssigen Zone 1 befindet sich ein Stabteil 3, der gewachsene und an Verunreinigungen ärmere Kristall. Der gekrümmte Pfeil unter dem Kristallstab zeigt die Drehbewegung des Kristallstabes 1 bis 3 an. Die beiden Stabteile 2 und 3 samt der flüssigen Zone 1 drehen sich mit gleichem Drehsinn und gleicher Drehzahl.
  • Durch eine Heizvorrichtung 5, z. B. eine Induktions- oder Strahlungsheizung, wird eine Zone 1 des senkrecht gehalterten Kristallstabes geschmolzen. Zufolge eines hohen Wertes der Oberflächenspannung des geschmolzenen Halbleitermaterials hält sich die flüssige Zone 1 des Kristallstabes tropfenförmig zwischen den festen Stabteilen 2 und 3. Die Führung der flüssigen Zone 1 durch den Kristallstab 1 bis 3 kann dadurch bewirkt werden, daß entweder der Kristallstab 1 bis 3 mit seiner Halterung 4 auf-oder abwärts bewegt wird oder die Heizvorrichtung 5 eine Auf- oder Abwärtsbewegung ausführt. Die Höhe der flüssigen Zone 1 richtet sich nach der Dicke des Kristallstabes 1 bis 3 und der Temperatur der flüssigen Zone 1. Auch die Gestalt des Umfanges des Kristallstabes 1 bis 3 hat auf die Höhe der flüssigen Zone 1 etwas Einfluß.
  • Bei der Reinigung des Kristallstabes 1 bis 3 ebenso wie beim Einbringen des gewünschten Zusatzes an Verunreinigungen in den Kristallstab 1 bis 3 ist es meist erforderlich, die flüssige Zone 1 mehrmals durch den Kristallstab 1 bis 3 zu führen. Die Zahl der Durchgänge der flüssigen Zone 1 durch den Kristallstab 1 bis 3 hängt vor allem von dem Halbleitermaterial und der Verunreinigungssubstanz ab. Die Zahl der Durchgänge der flüssigen Zone durch den Kristallstab richtet sich auch nach dem Grad der Verunreinigung des Rohmaterials sowie nach der erstrebten Reinheit des Halbleitermaterials. Auch bei der Beimischung von ausgewählten Verunreinigungen zu dem reinen Halbleiterkristall wird die Zahl der Durchgänge der flüssigen Zone durch den Kristallstab, besonders durch die Abscheidungskoeffizienten der Verunreinigungen, beeinflußt. Wird eine gute Gleichmäßigkeit der Verteilung der zugesetzten Verunreinigungen angestrebt, so ist bei kleinen Abscheidungskoeffizienten der Verunreinigungen eine kleinere Zahl der Durchgänge der flüssigen Zone ausreichend als bei größeren Abscheidungskoeffizienten der Verunreinigungen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Halbleiterkristallen bietet für alle die Halbleitersubstanzen besondere Vorteile, bei denen die Herstellung in höchster Reinheit bisher, wie bei Germanium und insbesondere bei Silizium, noch Schwierigkeiten bereitet oder nur umständlich zu erreichen ist.

Claims (2)

  1. Patentansprüche: 1.. Verfahren zur Herstellung von hochreinen oderjund mit bestimmten Zusätzen an Verunreinigungen versehenen Halbleiterkristallen, insbesondere von Halbleiterkristallen, bei dem durch eine Heizvorrichtung in einem stabförmigen, senkrechten und nur an seinen Enden gehalterten Halbleiterkristall eine Zone geschmolzen und durch eine Relativbewegung zwischen dem Halbleiterkristall und der Heizvorrichtung die flüssige Zone längs der Stabachse durch den Halbleiterkristall geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit der Relativbewegung eine solche Drehbewegung des Halbleiterkristalls um eine mit dem Weg des Mittelpunktes der flüssigen Zone bzw. der Heizvorrichtung mindestens angenäherte zusammenfallende Achse bewirkt wird, bei welcher die Drehbewegung des Stabteiles oberhalb der flüssigen Zone gleichsinnig und mit gleicher Drehzahl zu der Drehbewegung des Stabteiles unterhalb der flüssigen Zone erfolgt.
  2. 2. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterkristallen mit bestimmten Zusätzen an Verunreinigungen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Halbleiterkristall die Zusätze an Verunreinigungen in axialen Bohrungen aufgegeben werden, und die flüssige Zone längs der Stabachse über die axialen Bohrungen geführt wird. In Betracht gezogene Druckschritten: Deutsche Patentschrift Nr. 395 419; australische Patentschrift Nr. 166 223; belgische Patentschrift Nr. 510 303; »Journal of Metals«, 1952, S. 747 bis 753; »Physical Review«, März 1953. In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsche Patente Nr. 975158, 1014 332.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BE510303A (de) * 1951-11-16
DE395419C (de) * 1922-03-16 1924-05-17 Otto Ruff Dr Verfahren zur Darstellung synthetischer Edelsteine
DE975158C (de) * 1953-12-30 1961-09-14 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines langgestreckten stabfoermigen Koerpers

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