DE1209997B

DE1209997B - Verfahren zur Herstellung von Einkristallen aus schmelzbarem Material

Info

Publication number: DE1209997B
Application number: DEN19476A
Authority: DE
Inventors: Jan Goorissen
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1960-01-28
Filing date: 1961-01-24
Publication date: 1966-02-03
Also published as: US3092462A; FR1280914A; GB894739A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

BOIj

Deutsche Kl.: 12 c-2

Nummer: 1209 997

Aktenzeichen: N19476IV c/12 c

Anmeldetag: 24. Januar 1961

Auslegetag: 3. Februar 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. 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.

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.

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.

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 Material

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,

Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

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

Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Jan Goorissen, Eindhoven (Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 28. Januar 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.

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.

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.

An Hand der Zeichnung wird die Herstellung eines einkristallinen Siliciumstabes mittels eines tiegelfreien Zonenschmelzverfahrens in einer Sauerstoffatmosphäre näher erläutert.

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;

609 503/245

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.

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.

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.

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.

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 ihre

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.

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.

Claims

Patentansprüche:

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.

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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen