DE1219451B

DE1219451B - Verfahren zur Herstellung von flachen dendritischen, aus Halbleitermaterial bestehenden, langgestreckten Einkristallen

Info

Publication number: DE1219451B
Application number: DES81217A
Authority: DE
Inventors: Dr Theodor Rummel; Dr Heinz Henker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1962-08-31
Filing date: 1962-08-31
Publication date: 1966-06-23

Description

Verfahren zur Herstellung von flachen dendritischen, aus Halbleitermaterial bestehenden, langgestreckten Einkristallen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von flachen, dendritischen, aus Halbleitermaterial bestehenden, langgestreckten Einkristallen durch Zonenschmelzen eines langgestreckten Halbleiterkörpers, an dessen senkrecht zu seiner Längsachse orientierter Endfläche ein Keimkristall desselben Halbleitermaterials angesetzt ist, unter Ausnutzung der auf Grund des Peltier-Effekts auftretenden Erwärmung bzw. Abkühlung bei einer Änderung der Stromrichtung eines durch Kristall und Schmelze fließenden elektrischen Gleichstromes, wobei vom übergang des Keims zum Halbleiterkörper ausgehend zonengeschmolzen wird.
Das Verfahren besteht erfindungsgemäß darin, daß ein flacher Halbleiterkörper und ein Keimkristall, der in seinem Innern mindestens zwei: der Längsachse des Halbleiterkörpers parallele Zwillingsebene besitzt, die sich alle bis zu der mit dem Halbleiterkörper in Verbindung stehenden Fläche erstrecken, verwendet werden, daß beim Zonenschmelzen der den Peltier-Effekt erzeugende Gleichstrom zunächst so geschaltet wird, daß an der Verbindungsstelle des Keims mit dem Halbleiterkörper eine Erwärmung auftritt, und daß nach erfolgter Aufschmelzung der Verbindungsstelle der Strom in der umgekehrten Richtung durch den Keim und den Halbleiterkörper geschickt wird.
Zweckmäßigerweise wird der flache Halbleiterkörper, insbesondere wenn er aus Silicium oder Germanium besteht, dadurch gewonnen, daß zunächst in an sich bekannter Weise ein dünner Kristallstab des Halbleitermaterials hergestellt wird und der Kristallstab dann, wie bereits vorgeschlagen, durch Erhitzen in den duktilen Zustand übergeführt und in diesem Zustand durch Walzen oder Pressen zu einem langgestreckten, flachen Körper geformt wird.
Bekanntlich tritt bei Gleichstromdurchgang eine von der Stromstärke abhängige Erwärmung bzw. Abkühlung auf Grund des Peltier-Effekts, in Abhängigkeit von der Stromrichtung, nicht nur an der Grenzfläche zwischen verschiedenen Kontaktmaterialien auf, sondern auch an der Grenzfläche zwischen der festen und flüssigen Phase desselben Leitungsmaterials, insbesondere Halbleitermaterials. Beispielsweise besitzen bekanntlich Silicium und Germanium positiven Peltier-Effekt, , d. h., an der Grenzfläche zwischen fester und flüssiger, Phase dieser Materialien wird Wärme absorbiert, wenn die feste Phase an den positiven, die flüssige Phase an den negativen Pol einer Gleichspannungsquelle gelegt wird. Bei umgekehrter Polung tritt an der Grenzfläche dagegen ein mit Erwärmung verbundener Peltier-Effekt auf. Infolgedessen wird beim Zonenschmelzen, beispielsweise eines Germaniumkörpers, bei dem die Schmelze zwischen zwei festen Kristallstücken gehaltert wird, an der Grenzfläche des einen Kristallstütcks zur Schmelze bei positiver Polung des Kristallstücks Abkühlung, an der anderen Grenzfläche bei negativer Polung des Kristallstücks dagegen Erwärmung auftreten, sofern zwischen den beiden Kristallstücken ein elektrischer Gleichstrom fließt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also zum Verbinden des Keimkristalls mit dem Halbleiterkörper zunächst der Keimkristall an den negativen Pol einer Gleichspannungsquelle gelegt; anschließend wird der Strom umgepolt, d. h., der Keimkristall, von dem aus das Dendritenwachstum erfolgen soll, wird an den positiven Pol, das an das andere Ende der geschmolzenen Zone angrenzende feste Kristallstück (der flache Halbleiterkörper) an den negativen Pol einer Gleichspannungsquelle gelegt. Die Joulsche Wärme hird am Übergang des positiv gepolten Kristallstücks (Keimkristall bzw. bereits gezogener Kristall) zur Schmelze durch die auf Grund des Peltier-Effekts auftretende Abkühlung überkompensiert, so daß hier eine Abkühlung auftritt und Dendritenbildung erfolgen kann. An der Grenzfläche der geschmolzenen Zone zu dem an negativer Spannung liegenden Kristallstück tritt Erwärmung auf.

Im einzelnen verfährt man bei der Durchführung des durch die Erfindung vorgesehenen Verfahrens so, daß zunächst auf eine senkrecht zu seiner Längsachse orientierte Endfläche eines flachen-Halbleiterkörpers ein dendritischer Keimkristall, d. h. ein flächig oder bandförmig ausgebildeter Einkristall mit mindestens zwei zur Längsachse des -Halbleiterkör-

pers parallelen Zwillingsebenen angesetzt wird,--und

zwar vorzugsweise -- in einer' kristaliogräphischen

[211]-Richtung orientiert. Die Zwillingsebenen des

Keimkristalls verlaufen durch den ganzen Kristall,

so daß sie sich bis zu der mit dem Halbleiterkörper

in Verbindung gebrachten Fläche erstrecken. '

Es gibt zwar- 'äueh derldritische'I£n"sta'ird;- deren

Zwillingsebenen dm Innern des:Kristalls# endeng doch

sind diese nicht als .Keimkristall für--die- Dendriten-

herstellung geeignet; -denn wenn die Zwillingsebenen

sich nicht bis zu der mit dem flachen Halbleiterkör-

per in Verbindung gebrachten Fläche erstrecken, ver-

hält sich der Keim so, als wären keine Zwillingsebe-

Zweckmäßig ist es, Keimkristalle zu verwenden,

die parallel zu,Aer mit dem

Ver-

bindung gebrachten Fläche- in einer. [111]-Riclitung und senkrecht dazu; d.. h. zu-@ seiner- Längsachse;--in _ äindr- - [211]=Richtung

orientiert sind.

---Die -Herstellung--der- -Keimkristalle -wird im -allge=

meinen in an sich bekannter Weise .durch.. Unter-

kühlen einer Schmelze des Halbleitermaterials vcirge-

nommen. Bei@eiriem bestimmten Unterkühlungsgrad

erstarrt ein Teil der Schmelze_zu.dendritischen Kri-

stallen mit einer ,Viehzahl--von-parallelen, eng: beiein-

anderlie2enden,_inneren Zwüllingsebenen.@Diese-kön-

neu aus der Schmelze herausgenommen _und-parallel

zu den Zwillingsebenen in mehrere Kennkristalle mit

jeweils zwei oder drei Zwillingsebenen -zerschnitten

werden. Meist entstehen. dahe.zwar:keine .äußerlich

einwandfreien. Kristalle;-sie können jedoch.- als Keim-

kristalle verwendet werden, wenn man ihre Zwillings-

ebenen durch Zerschneiden der Kristalle bloßlegt.

:Da: fiü die:: Bildung der dendritischen Kristalle: be-

kanutlich eine :iinterkühlte_S.chmelze:..er-forderlichsist,

weil- ihre@Bildung:nur_-durch. eine, große:

sationsgeschwndigkeit-_erzwungen,-::werden.,kann, ist

es :notwendig":äuch-:bei. der-Verschmelzung: des Keim=

kristalls.:mit::dem-Halbleiterkörper mit einez--unxer-

klihlten=Schmelze !zu; arbeiten,-@damit. der .Halbleiter=

körpex;;aie_ndxitisch :änd -dm, Keimkristall-- anwächst.

Hierbei tritt jedoch dia.Sahwierigkeit,auf,:da -unter=

kühlte: Schmelzen#bei_Berührungz#init- .festem Halb-

leitermaterial sofort :schlagartig :erstarren; i wobei-ein

unkontmllierbares Wachstum: von: Kristallen--beginnt;

Uni,- diesv :Schw_ierigkeitei#"-..zu :überwinden,- tvird der

Keimkristall, mit-. den sich? bis - an_; die Oberfläche er-

streckenden:_Zwillingsebanenamit:einem.solchen.IIalb-

leiterkörper- in : Verbindung: "gebracht,. der. -an-,'dem,

Ende; -an.dem°die Verschmelzung mit; dem dendrit-'.

schen:Keimkristall 1ergestellt. werdet<'-. soll;-.einige

Grad-:über4den Scchm@elzpunkt<:erhitzt=worden-.ist.-3?ä-

bei

einem. Merkmal,der :Erfindung -der

denPeltier--Effekt;iierzeugende: _Gleichstrom::'s'o--ge'

schaltet,-.däß :an: :der;Verbindungsstelie:des .-Keiins-.mit

dem -Halbleiterkörper;seine -Erwärmung=auf Grund

des:Peltier-Effekts aüftütt. Dabei-wird zwischen dem

Keimkristall-vndder:Sehmelze ein.Gleichgewicht.ein-

gestellt,:=in:@dem -kein!:-Material desi,Keimsiaufgelöst

wird und-äuch@ikein--Maferial-f'.der=#Sclühelzzone :äm

Keim: '-ank@istallisieit#z Dann:"-wird'--der` .Gleichstrom

umgepolt;: dsh4t==es-eird .der#,#unnüttelban::äri' den

Keimkriställ,@.a:ffgrehzende =BUreich'= der@-Schmelzzoüe

mit-Hilfe:dei.@uf-:Cirutid -de`svPeltier-Effäkts=beieüt-sprechender. Polurig<ides- deniWPeltieri_Effekt=erzetl$en-

den . Gleichstroms,#@auftretendeti"--Abkühleüter-

küWt-r:Däbe..bildet'=sich.-ein.Temperaturgradient in

der°Schmblzzon'ey äus#ESQbald.,die Tenipeiätür -der'

Schmelze in der Umgehung-, Keimkristalls unter

die Schmelztemperatur absinkt, setzt das dendritische

Anwachsen _des flachen! Halbleiterkörpers.. an den

dendritischenf Keimkristall ein.

----Der `mt=deiri °deridritisclieri Keimkfistall-vergehene

flache Halbleiterkörper wird dann durch Zonen-

s@hmeizen 'meinen :einkristallinen, langgestreckten,

Rächen -Dendriten übergeführt, wobei die geschmol-

zene Zone, die in Richtung der Längsachse am Halb-

leiterkörper entlanggeführt wird, von der Verbin-

dungsstelle des Keimkristalls mit dem Halbleiterkör-

per ausgehend, jeweils schmal gehalten wird, damit

-nicht -auf* Grund-der-Oberflächenspäiinuiig"die'liäbhe;

dendritische Struktur des Körpers verlorengeht oder

die geschmolzene Zone.abtropft, die nur auf Grund

dei# Oberfiächenspannung---des -geschmolzenen 1VIate.-

rials zusammengehalten wird:-Mit Hilfe des -Peltier-

Effekt ist 'es@ bei dein erfindühgsgemäßen Verfahren

möglich;" in,besonders einfacher Weise -die Forderung

rlaeh*-sehmälenZonen zu- erfüllen. '--' ' -. °-

'Bekaiintlichwird -das dendritische-Wachstuindurch

eine`-große Xristallisatipnsges-chwindigkeit-erzwurigen.

Da:-aber-bei -derKristallisätion-die Erstarrungswärrhe

frei-,wird, die -7iotwendigexweiW- eine-Texrili'eratilr=

erhöhung#bedingt-,. muß-- diese Wärme allgeführt wer-

den, _daiiiit-sich--die -für- das- dendritische."Wachstum

erforderlichen-Fempera-turverhältnisse -einstellen kön-

nen. Bei der bekannteuffersfejlüng.vdrl dendritischen

Kristallen, werden unterkühlte,- in TiegOn -gehalterte

Schmelzen- verwendet:- Dabei'.kann -die--frei werdende

Wärmenicht--nux-über-del-festen; gezogenen-Kristall,

sondern :auch über die"S:chinelze-hbftießen: Unter=

kühlte-=Schmelzen-sind-aber -sehr schwierig zu hand-

haben.-Bei--Anwesenheit eines Kriställisaübnskeims

(2: -B: -Verunreinigung; -die-von der Tiegelwan.'aus-

geht)--erstarren sie schlagartig; was -zu einem unkon-

ti'ollierbaren--Kris`tallwach9tum -führt: -:-Aus diesem

Gründeist e$ erwünscht; iiit-einer nur auf- die un-

mittelbare Nähe:- den- Kristullisationsgreiizfläche ge-

richteten Unterkühlung- zuarbeiten: -Bei =der' gemäß

der- Erfindung- vorgeselienen'--A-nsnutzung -der auf

Grund des Peltier-Effekts bei einer AnderungAer

Stromrichtung eines@durch Kristall und- Schiieizzone

fließenden! elektrischen-Gleichstromes°auftretenden;

vön- der Stromsträke «abhängigen Erwärnmng- bzav:

Abkühlung- aä°°den. Phasengrenzen(- erzielt man` den

Vortdil=-einet 'ziemlich gennuen-Temperäturregelung

an--den-Grenzflächen-zwischen -gdschniolzenei--Zoäe

und, festem--Körper, sö-°däß-. die für @däs'-Dendriten-

wächgtum 'nötwendigenTenzperatuiverhähnisse°leicht

eingestellt°werdeii°-könneh.- f°-°@°_@° "- ---_ .

v---Zusäizliehv-zü ri@eser@@'erripexätizrtegel@ing°ka@`ge-

gebenenfalls-`e'ine "an sich -übliche- Temperatürände=

rungdurch-Regelüng^ der-des Snhmelze`ii bewirkenden

Wgrmequeile@- angewendeti#Wexden:,-Vorzugsweise-" er-

folgt°,di& -Heizung- induktiv; -mit, Hilfe°,@einer Hoch=

frequenzspule:-,'«.... -

-Dürch°#di& Ausnutzung.,der:Erwärmung,oder Ab=

kühliing; =je -nach-Palung; ; die -auf Grund ,des Peltier=

Effekts-bei-Änderung der Richtung. eines durch einen

eirie-;=-Selmelzzbne° aüfweiisenden--,-lahggestredkten

Halbleiterkörpers fließendeüGldichstrorizs°anftritt, ist

es@ bei-=deiri-tVerfahren,gemäß -der Erfindung möglich;

beim@-Zonenschiüelzen die- Kristallisatioiiswätme=döri.

abzuführen - bzw. @Wärme--äüAer Stelle zuzuführen,

wo eine--Abkühhung-#bzw..-°eine-Erwärmung für das

Dendritenwächstüm--erföi7derhbh-ist:<Bdi @dem'#erfin-

dungsgemäßen Verfahren werden also nur die Teile der Schmelzzone, die unmittelbar an den Keim angrenzen, unterkühlt, während die an den Halbleiterflachkörper angrenzenden Teile der Schmelze auf einer oberhalb des Schmelzunktes des Halbleitermaterials liegenden Temperatur gehalten werden. Dadurch wird ein dendritisches Wachstum des Keims gewährleistet und ein von der anderen Phasengrenze ausgehendes schlagartiges Erstarren der Schmelzzone auf jeden Fall vermieden, insbesondere auch deshalb, weil hier noch zusätzlich Peltierwärme erzeugt wird.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung von flachen, dendritischen, aus Halbleitermaterial bestehenden, langgestreckten Einkristallen durch Zonenschmelzen eines langgestreckten Halbleiterkörpers, an dessen senkrecht zu seiner Längsachse orientierter Endfläche ein Keimkristall desselben Halbleitermaterials angesetzt ist, unter Ausnutzung der auf Grund des Peltier-Effekts auftretenden Erwärmung bzw. Abkühlung bei einer Änderung der Stromrichtung eines durch Kristall und Schmelze fließenden elektrischen Gleichstroms, wobei vom Übergang des Keims zum Halbleiterkörper ausgehend zonengeschmolzen wird, d a -durch gekennzeichnet, daß ein flacher Halbleiterkörper und ein Keimkristall, der in seinem Innern mindestens zwei der Längsachse des Halbleiterkörpers parallele Zwillingsebenen besitzt, die sich alle bis zu der mit dein Halbleiterkörper in Verbindung stehenden Fläche erstrekken, verwendet werden, daß beim Zonenschmelzen der den Peltier-Effekt erzeugende Gleichstrom zunächst so geschaltet wird, daß an der Verbindungsstelle des Keims mit dem Halbleiterkörper eine Erwärmung auftritt, und daß nach erfolgter Aufschmelzung der Verbindungsstelle der Strom in der umgekehrten Richtung durch den Keim und den Halbleiterkörper geschickt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der auf Grund des Peltier-Effekts, von Stromstärke und Stromrichtung abhängigen, auftretenden Erwärmung oder Abkühlung bei einer Änderung der Stromrichtung eine an sich bekannte Temperaturänderung durch Regelung der das Schmelzen bewirkenden Wärmequelle entsprechend angewandt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1106 732; französische Patentschrift Nr. 77 774; W. G. Pfann, »Zone Melting«, 1958, Kap. 7, S. 161 bis 164.