DE1216257B - Verfahren zur Herstellung von Einkristallen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung von Einkristallen Ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid-Einkristallen ist bekannt, bei welchem Silicium in Graphittiegeln zum Schmelzen gebracht wird, wobei es sich mit Kohlenstoff aus der Tiegelwandung sättigt. Dann wird ein Keimkristall aus Siliciumcarbid in diese Lösungsschmelze eingetaucht, auf dem sich das gebildete Siliciumcarbid aus der Schmelze abscheidet. Entsprechend dem Wachstum des Kristallei wird dieser aus der Schmelze immer mehr herausgezogen, und man erhält auf diese Weise Einkristalle aus Siliciumcarbid. Da das flüssige .Silicium aber nur ganz geringe Mengen an Kohlenstoff lösen kann, ist das Diffusionsgefälle für Kohlenstoff zwischen der Tiegelwandung und der an Kohlenstoff verarmten Zone um den wachsenden Kristall herum sehr klein, die Transportleistung also gering. Daher sind die benötigten Wachstumszeiten für die nach diesem Verfahren hergestellten Einkristalle entsprechend lang.
• Weiterhin ist es von Halbleitersubstanzen wie Silicium oder Germanium bekannt, das geschmolzene reine Material einem Keimkristall zuzufügen. Auch die Zugabe von mikrokristallinen Stoffen als Pulver von oben in eine Schmelzzone oder das Hinzufügen der Rohstoffe von der Seite in eine frei nach unten hängende Schmelzzone gehört zum Stande der Technik. Ebenso ist es üblich, insbesondere zur Herstellung von Zonen verschiedenen Leitfähigkeitstyps, das Halbleitermaterial an einem Impfkristall aus einer genau auf der Temperatur des Schmelzpunktes gehaltenen oder unterkühlten Schmelze abzuscheiden.
• Bei einem Verfahren zur Herstellung von Einkristallen, aus Verbindungen, die vor Erreichung ihres Schmelzpunktes sich zersetzen oder sublimieren und bei denen die eine Komponente, vorzugsweise die metallische Komponente, in schmelzflüssigem Zustand befähigt ist, die andere Komponente in geringer Menge zu lösen, wird die Diffusion sehr stark begünstigt, und das Wachstum erfolgt verhältnismäßig viel schneller als bei Züchtung aus einer statischen Schmelze, wenn man erfindungsgemäß die Schmelze mit der darin gelösten Komponente in dünner Schicht über einen Keimkristall, dessen Temperatur höchstens 5% unterhalb der Temperatur der Schmelze gehalten wird, in an sich bekannter Weise fließen läßt.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird z. B. bei Siliciumcarbid in einem senkrecht stehenden Heizrohr eine kohlenstoffhaltige Siliciumschmelze auf einen Impfkristall langsam auftropfen gelassen, der sich auf einer etwas niedrigeren Temperatur befindet, als die dem Kohlenstoffgehalt der Schmelze entsprechende Sättigungstemperatur beträgt. Dadurch lagert sich nach dem Auffallen der Tröpfchen Siliciumcarbid auf dem ImpFkristall ab, während die Schmelze nach unten in einen Auffangbehälter abtropft und zur neuerlichen Verwendung bereitsteht.
• Das Heizrohr ist zweckmäßigerweise aus Graphit, kann aber auch aus Kohle oder hochschmelzenden Metallen hergestellt werden. Es wird entweder im direkten Stromdurchgang oder von außen auf induktivem Wege erhitzt. Bei der Verwendung einer Induktionsheizung kann dass Heizrohr auch in Wegfall kommen und der Tiegel direkt beheizt werden: Die Anordnung ist in einem vakuumdichten Rezipienten 1 untergebracht, der an der Unterseite eine Durchführung 2 zur Bewegung des Kristallträgers 3 und oben eine ebenfalls vakuumdichte Durchführung 4 für den Stopfen 11 hat. Die öffnung 12 des Rezipienten 1 ist an eine Vakuumpumpe angeschlossen, während durch die Öffnungen 13 und 14 Gase zu-bzw. abgeführt werden. Das zwischen zwei Stromzuführungen 16 gefaßte Heizrohr 5 hat in Höhe des Kristallträgers 3 eine kleine Öffnung 6, der ein entsprechendes Schauloch 7 in der Seitenwand des Rezipienten 1 entspricht, so daß man auch von außen die Temperatur des Kristallträgers 3 direkt messen kann. Zur Wärmeabschirmung dienen konzentrisch angeordnete Strahlungsschutzrohre 15. Arbeitet man so, daß man das Ausgangsmaterial in flüssiger Form auf den Kristallträger 3 auftropfen läßt, so wird an einem von oben in das Heizrohr 5 führenden Rohr 8 ein Tiegel 9 aufgehängt, dessen Ausflußöffnung 10 durch einen Stopfen 11 verschlossen .ist, welcher von außerhalb des Rezipienten mittels .Schraubentrieb bedient wird. Der Tiegelausfluß 10 befindet sich in der Mitte des Heizrohres 5, genau oberhalb des Kristallträgers 3. Durch die Art der Beheizung (z. B. bei Widerstandsheizung durch verschieden starke Wandstärken des Heizrohres über dessen Länge) und durch die Verschiebung des Kristallträgers 3 in seiner Längsachse iäßt ;sich zwischen. Tiegel 9 und dem Kristallträger 3 eine gewünschte Temperaturdifferenz einstellen. Der Abstand zwischen Tiegelausfluß l (D und Kristallträger 3 beträgt normalerweise etwa 1 bis 2 cm. Er ist jedoch abhängig von .der Auslaufgeschwindigkeit der Schmelze. Diese soll in möglichst dünner Schicht gleichmäßig über den Kristall fließen, wodurch Turbulenz und damit Störung des Kristallwachstums vermieden werden. Die vom Keimkristall abtropfende Schmelze sammelt sich im Auffangbehälter 17.
• Der Impfkristall wird gegebenenfalls auf den Kristallträger dadurch aufgebracht, daß man vorher z. B. in einem anderen Ofen durch Sublimation kleine Einkristalle züchtet und außer einem anschließend alle wieder mechanisch entfernt. Es ,ist aber genauso möglich, auf andere Art gewonnene Einkristalle auf dem Kristallträger anzubringen. Beispiel Zur Herstellung von .Siliciumcarbid,Einkristallen wird ein Tiegel aus siliciertem Graphit mit etwa 250 cm3 verwendet. In ,diesem Tiegel wird hochreines Siliciumpulver mit 5% beigemengtem Gasruß oder feinkörnigem Siliciumcarbid eingefüllt. Anschließend wird der Rezipient mit Argon gespült und auf 1 bis 0,1 Torr evakuiert. Dann wird die Heizung eingeschaltet und die Temperatur langsam bis auf 1650 bis 1700° C gesteigert. Dabei löst das flüssige Silicium bereits merkliche Mengen an Kohlenstoff aus dem beigemengten Gasruß bzw. Siliciumcarbid. Durch vorsichtiges Hochziehen des Verschlußstopfens läßt man ,das flüssige Silicium in, dünnem Strahl auf einen darunter befindlichen Keimkristall auffiießen, der auf einer um etwa 10 bis 20° C niedrigeren Temperatur als die ausfließende .Schmelze gehalten wird. Infolge der dabei eintretenden übersättigung der Schmelze an Kohlenstoff scheidet sich dieser aus, und zwar ausschließlich in Form von Siliciumcarbid, das auf dem Keimkristall orientiert aufwächst. Bei Verwendung hexagonaler Keimkristalle konnten dabei auf ,der als langsam wachsend bekannten Fläche 0001 Wachstumsgeschwindigkeiten bis 0,2 mm pro Stunde beobachtet werden

Claims (1)

1. Patentanspruch: Verfahren zur Herstellung von Einkristallen aus Verbindungen, die vor Erreichung ihres Schmelzpunktes sich zersetzen oder sublimieren und bei denen die eine Komponente, vorzugsweise die metallische Komponente, im schmelzflüssigen Zustand befähigt ist, die andere Komponente in geringer Menge zu lösen, d a d u r c h gekennzeichnet; daß man die Schmelze mit der darin gelösten Komponente in dünner Schicht über einen Keimkristall, dessen Temperatur höchstens 5% unterhalb der Temperatur der .Schmelze gehalten wird, in an sich bekannter Weise fließen läßt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1015 151, 1034 142, 1088 923; belgische Patentschrift Nr. 525102.