DE1444530B2

DE1444530B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von stabförmigem, einkristallinen Halbleitermaterial

Info

Publication number: DE1444530B2
Application number: DE19621444530
Authority: DE
Inventors: WoIfgang Dr.rer.nat. 8551 Pretzfeld Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1962-12-12
Filing date: 1962-12-12
Publication date: 1970-10-01
Also published as: BE641090A; US3351433A; CH420072A; GB1029804A; DE1444530A1; JPS5021431B1

Description

Es ist bereits bekannt, einkristalline Halbleiterstäbe durch Ziehen aus der Schmelze nach Czochralski bzw. durch tiegelfreies Zonenschmelzen nach Theuerer herzustellen. Neuerdings ist das sogenannte Podest-Verfahren bekanntgeworden (siehe »Growth and Perfection of Crystals«, herausgegeben von Doremus, Roberts und Turηbu 11, Verlag John Wiley & Sons, Inc., New York, und Chapman and Hall, Ltd., London (1958), Aufsatz von Dash, S. 363). Auf einem geschlitzten Halbleiterstab wird eine tropfenförmige Schmelze erzeugt, beispielsweise mit Hilfe der Induktionsheizung, dann wird aus dieser Schmelze nach Eintauchen eines einkristallinen Keimkristalls ein Einkristall gezogen.

Aus der britischen Patentschrift 906 485 ist es ferner bekannt, das obere Ende eines lotrecht angeordneten Halbleiterstabes aufzuschmelzen, einen Keimkristall in die Schmelzflüssigkeit einzutauchen und einen Halbleiterstab aus der Schmelzflüssigkeit zu ziehen, indem der Keimkristall lotrecht nach oben bewegt wird.

Bei den bekannten Verfahren ist die obere Stirnfläche des Halbleiterstabes eben. Daher wird die Schmelzflüssigkeit ausschließlich durch die Oberfiächenkräfte zusammengehalten. Diese Oberflächenkräfte sind jedoch beim Aufschmelzen und Ziehen besonders dicker Stäbe, insbesondere mit einem Durchmesser von mehr als 25 mm, nicht mehr ausreichend, die Schmelzflüssigkeit vor dem Abtropfen zu bewahren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen.

Die Erfindung' betrifft demgemäß ein Verfahren zum Herstellen von stabförmigem, einkristallinem Halbleitermaterial durch Ziehen eines Keimkristalls aus einer Schmelze, welche am oberen Ende eines lotrecht stehenden Ausgangsstabes aus Halbleitermaterial durch Beheizen erzeugt wird. Dieses Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß am oberen Ende des Ausgangsstabes eine sich von oben in den Ausgangsstab hineinerstreckende muldenförmige, die Schmelzflüssigkeit enthaltende Ausnehmung erzeugt wird und daß die Schmelzflüssigkeit durch Aufschmelzen des Randes der muldenförmigen Ausnehmung, durch Aufschmelzen eines zusätzlichen Vorratsstabes aus Halbleitermaterial oder durch Zuführen von pulverförmigem Halbleitermaterial ergänzt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die Schmelzflüssigkeit durch den Rand der Ausnehmung seitlich gehalten wird, so daß einerseits Einkristalle mit größerem Durchmesser hergestellt werden können, während andererseits Verunreinigungsmöglichkeiten durch einen Tiegel ausgeschlossen sind. Bisher war es nicht möglich, durch tiegelfreies Zonenschmelzen Einkristalle mit einem Durchmesser von mehr als 35 mm herzustellen. Auch die Erzeugung von Einkristallen mit Durchmessern von mehr als 25 mm nach dem tiegelfreien Zonenschmelzverfahren war bisher schwierig.

Mit dem Ziehen aus dem Tiegel, bei dem durch Regelung der Temperatur der Schmelze und/oder der Ziehgeschwindigkeit eine Regelung des Durchmessers des aufwachsenden Einkristalls möglich ist, lassen sich zwar Einkristalle größeren Durchmessers herstellen. Dieses Verfahren weist aber den Nachteil auf, daß aus der beheizten Tiegehvand Verunreinigungen, insbesondere Sauerstoff, in die Schmelze eindiffundieren. Weiter treten Schwierigkeiten bei hochschmelzenden Stoffen, z. B. Silicium, auf, da die Tiegelwand hierbei bereits plastisch verformbar wird. Das Ziehen aus dem Tiegel nach Czochralski wird deshalb bisher praktisch nur auf Germanium und die sogenannten A₁₁₁B _V-Verbindungen angewendet. In den Figuren sind Ausführungsbeispiele für Apparaturen dargestellt, mit deren Hilfe das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.

ίο Fig. 1 zeigt eine Vakuumkammer, in der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann; F i g. 2 zeigt einen Ausschnitt aus F i g. 1 in vergrößertem Maßstab; in den

F i g. 3, 4 und 5 sind andere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl

unter Schutzgas als auch im Vakuum durchgeführt werden. In F i g. 1 ist eine Vakuumkammer für diesen Zweck dargestellt. Ein kastenförmiges Gehäuse 2 besitzt ein Sichtglas 3, durch welches die Durchführung des Verfahrens innerhalb der Kammer beobachtet werden kann. Mit Hilfe eines Anschlußstutzens 4 kann die Kammer evakuiert werden. Innerhalb der Kammer befindet sich ein dickerer Stab 5 sowie ein dünnerer Stab 6, der aus dem dickeren Stab erzeugt wird. Zwischen beiden befindet sich eine Schmelze 7. Die Schmelze kann durch Elektronenstrahlen oder beispielsweise durch eine Induktionsspule 8 erzeugt werden. Die Induktionsspule 8 ist an einem Träger 9 befestigt, welcher durch eine vakuumdichte Durchführung 10 im Boden der Kammer 2 nach außen geführt ist. Der Träger 9 enthält sowohl die elektrischen Zu- und Abführungen zu der Heizspule als auch die Zu- und Abführungsrohre eines Kühlmediums, mit dessen Hilfe die Heizspule gekühlt wird. Der Pfeil 11 soll andeuten, daß die Heizspule 8 an dem Träger 9 von außen her in lotrechter Richtung bewegt werden kann.

Der Dickstab 5 ist in einer unteren Halterung 12 gehalten, die an einer Führungsstange 13 befestigt ist, welche ebenfalls durch eine vakuumdichte Durchführung 14 nach außen geführt ist und von außen in lotrechter Richtung bewegt werden kann. Der dünnere Stab 6 ist in ähnlicher Weise in einer oberen Halterung 15 gehalten, die an einer Welle 16 befestigt ist. Diese Welle 16 ist ebenfalls durch eine vakuumdichte Durchführung 17 nach außen geführt und kann von außen sowohl in lotrechter Richtung verschoben als auch um ihre eigene Achse in Drehung versetzt werden.

Das wesentliche Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Schmelze 7 in der Weise beheizt wird, daß sie in einer muldenförmigen Ausnehmung in der Stirnfläche des Dickstabes 5 gehalten werden kann (s. Fig. 2). Dies ist insbesondere durch eine Bündelung der Heizwirkung zu erreichen. Man kann z. B. Elektronenstrahlen oder Wärmestrahlen etwa in der Mitte der Stirnfläche des Dickstabes 5 konzentrieren, bzw. man kann eine Heizspule für die Induktionsheizung so ausbilden, daß die gewünschte Bündelung der Heizwirkung erreicht wird. Im Ausführungsbeispiel ist eine Heizspule 8 dargestellt, welche als Flachspule ausgebildet ist. Man kann die Heizspule aber auch als Zylinderspule ausbilden. In F i g. 2 ist zusätzlich ein Reflektor 18 dargestellt, der die abgestrahlte Wärme zwecks Vorheizung des Dickstabes 5 und zwecks Nachheizung des dünneren Stabes 6 zurückstrahlt. Es kann sich dabei beispiels-

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weise um ein Silberblech handeln, das zylindrisch Weise flüssiges Halbleitermaterial der Schmelze 21

zusammengebogen ist und die Schmelze umschließt. zuführt. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß der

Ein Schlitz in Richtung der Stabachse verhindert die Schmelze 21 kontinuierlich Halbleitermaterial in dem

Ankopplung an die Heizspule. Maße zugeführt wird, wie es ihr durch den auf-

Die Heizspule wird vorzugsweise mit Hochfrequenz 5 wachsenden Stab 23 entzogen wird. Hiermit kann

im Kurzwellenbereich gespeist, z. B. mit etwa 5 MHz. mit Ausnahme des erzeugten Stabes 23 die gesamte

Die Heizleistung beträgt etwa 5 bis 10 kW. Der auf- Einrichtung in allen ihren Teilen ruhend ausgebildet

wachsende Einkristall wird in an sich bekannter werden.

Weise in Drehung um seine eigene Achse versetzt, In F i g. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der damit ein rotationssymmetrisches Aufwachsen ge- 10 Erfindung dargestellt. Aus einer Schmelze 31, welche sichert wird. Die Umdrehungsgeschwindigkeit liegt sich in einem Dickstab 30 befindet, wird ein dünner vorzugsweise zwischen 10 und 150 U/min und be- Stab 32 nach oben herausgezogen. Die Schmelze 31 trägt beispielsweise 40 U/min. wird durch eine Heizspule 33 induktiv beheizt. Die Man kann beispielsweise die Heizspule 8 mit Schmelze weist durch die Beheizung eine solche Bezug auf die Vakuumkammer ruhen lassen und 15 Form auf, daß sie in den Dickstab hinein vorwandert, lediglich den Dickstab 5 von unten nachschieben, Im Beispiel gemäß F i g. 4 ist nun eine weitere Heizwährend nach oben der dünnere Stab 6 herausgezo- spule 34 vorgesehen, welche die Aufgabe hat, das gen wird. Die Geschwindigkeit der Aufwärtsbewegung am Rand stehenbleibende Halbleitermaterial aufdes gezogenen Stabes beträgt vorzugsweise 2 bis zuschmelzen. Dieses aufschmelzende Halbleiter-4 mm/Sek., bezogen auf die Heizspule. Man kann 20 material läuft in Form von Tropfen am Rand der selbstverständlich auch den unteren Dickstab 5 durch die Schmelze 31 erzeugten Mulde in die ruhen lassen und die Heizspule 8 mit Hilfe des Trä- Schmelze 31 hinein. Die Erwärmung des Halbleitergers 9 nach unten bewegen. Das Verhältnis der Stabes 30 im Bereich der Heizspule 34 ist so geführt, Durchmesser des dickeren Stabes 5 und des dünneren daß die aufzuschmelzenden Ränder ständig nach Stabes 6 wird zweckmäßigerweise größer als 1,4 ge- 25 innen zu schmelzen. Dies ist insbesondere auch wählt. Zum Beispiel kann der dicke Stab 5 einen dadurch zu erreichen, daß die Schmelze 31 durch Durchmesser von 60 mm aufweisen, während der Strahlungswärme den Innenrand der entstandenen dünne Stab 6 einen solchen von 35 mm hat. Mulde ständig beheizt. Ferner kommt hinzu, ■ daß Zu Beginn des Verfahrens wird zweckmäßiger- ein Teil der Heizwirkung der Induktionsspule 33 weise ein Keimkristall mit einem wesentlich geringe- 30 sich auch auf den Innenrand der stehenbleibenden ren Durchmesser, z. B. 6 mm, in die in der Stirnfläche Ränder auswirkt.

des Dickstabes 5/ erzeugte Schmelze 7 getaucht, In F i g. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der worauf durch Regelung der Ziehgeschwindigkeit der Erfindung dargestellt. Auch in diesem Beispiel wird gewünschte Solldurchmesser des aufwachsenden aus einem Dickstab 40 ein dünner Stab 41 gewonnen. Stabes 6 erzeugt wird. Durch die Verwendung eines 35 In der Stirnfläche des Dickstabes 40 befindet sich Keimkristalls mit geringerem Durchmesser läßt sich eine Schmelze 42, welche durch eine Induktionsspule erfahrungsgemäß die Kristallqualität verbessern. 43 erzeugt ist. Wie sich bei durchgeführten Versuchen Bei dem Dickstab 5 kann es sich beispielsweise um herausstellte, weist der Querschnitt der Schmelze einen polykristallinen Halbleiterstab handeln, der etwa eine Form auf, wie sie in F i g. 5 dargestellt ist. durch Abscheidung aus der Gasphase hergestellt 40 Das heißt, in der Mitte der Schmelze befindet sich eine wurde, z. B. nach dem Verfahren gemäß der deut- Erhebung von stehenbleibendem, festem Material, sehen Patentschrift 1 061 593. während die Wirkung der Induktionsheizung hauptin F i g. 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel des sächlich in der unmittelbaren Nachbarschaft der erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei dem Windungen der Heizspule 43 sich auswirkt. In der der Rand der Stirnfläche des Dickstabes 5 nicht nur 45 F i g. 5 ist die Form der Schmelze zwecks Verdeutinsoweit erhalten bleibt, daß er zum Halten der lichung etwas übertrieben dargestellt. Die Vorheizung Schmelze 7 dienen kann, sondern bei dem die des Dickstabes, wie in dem Ausführungsbeispiel Schmelze auf dem Grunde eines aus dem Halbleiter- gemäß F i g. 2 durch einen Reflektor, welcher die material selbst bestehenden Tiegels ruht. Der Rand Strahlungswärme wieder auf das Halbleitermaterial des Dickstabes bleibt also auch beim Nachführen des 50 zurückwirft, kann dazu dienen, diesen Effekt zu ver-Vorratsstab erhalten und bildet beim Vorwandern mindern. Stärkere Abhilfe kann dadurch bewirkt der Schmelze die Wandung eines Tiegels. In dem werden, daß eine zusätzliche Heizung vorgesehen Dickstab 20 befindet sich die Schmelze 21, die mit wird, beispielsweise mit Hilfe einer zusätzlichen Hilfe der Heizspule 22 in dem geschmolzenen Zu- Induktionsspule 44, wie in F i g. 5 dargestellt. Wenn stand erhalten wird. Der dünnere Stab 23 wird aus 55 der Dickstab 40 beispielsweise einen Durchmesser dieser Schmelze nach oben herausgezogen. von etwa 60 mm aufweist, so kann diese Vorheiz-Die Wände des in der beschriebenen Weise ent- spule etwa 20 mm unterhalb der Stirnfläche des standenen Tiegels können in entsprechender Weise Dickstabes beginnend bis zu einer Länge von etwa ausgebildet sein, damit weiteres Halbleitermaterial 60 mm den Dickstab umgeben. Vorteilhaft wird die der Schmelze seitlich zugeführt werden kann. So 60 Heizwirkung der Vorheizspule 44 so eingestellt, daß kann z. B. ein Schlitz 24 vorgesehen sein, durch wel- das Halbleitermaterial in diesem Bereich eine Temchen pulverförmiges oder gekörntes Halbleiter- peratur von etwa 1200° C aufweist, wenn es sich material in die Schmelze nachgeschüttet wird. Wie in um Silicium handelt.

F i g. 3 dargestellt, ist eine weitere Induktionsheiz- Statt dessen oder auch zusätzlich kann auch eine

spule 25 vorgesehen, in welche von oben schräg oder 65 Beheizung des gesamten Halbleitermaterials durch

in lotrechter Richtung ein Halbleiterstab 26 ein- direkten Stromdurchgang durchgeführt werden,

geführt wird, daß an seinem unteren Ende derart indem z. B. die Durchführungen 14 und 17 gemäß

induktiv beheizt wird, daß er abtropft und auf diese Fi 2. 1 als elektrische Isolierung ausgebildet werden

und über die Teile 12, 13, 15 und 16 ein Strom zu- und abgeführt wird, z. B. Gleichstrom oder Wechselstrom von 50 Hz bei einer Stromdichte von etwa A/cm².

Claims

5 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von stabförmigem, einkristallinem Halbleitermaterial durch Ziehen eines Keimkristalls aus einer Schmelze, welche am oberen Ende eines lotrecht stehenden Ausgangsstabes aus Halbleitermaterial durch Beheizen erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß am oberen Ende des Ausgangsstabes eine sich von oben in den Ausgangsstab hineinerstreckende muldenförmige, die Schmelzflüssigkeit enthaltende Ausnehmung erzeugt wird und daß die Schmelzflüssigkeit durch Aufschmelzen des Randes der muldenförmigen Ausnehmung, durch Aufschmelzen eines zusätzlichen Vorratsstabes aus Halbleitermaterial oder durch Zu- führen von pulverförmigem Halbleitermaterial ergänzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzflüssigkeit in der muldenförmigen Ausnehmung mit einer in diese Ausnehmung eingebrachten Induktionsheizspule beheizt wird, die kleinere Abmessungen als die Ausnehmung .hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand der muldenförmigen Ausnehmung mit einer Induktionsheizspule aufgeschmolzen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Vorratsstab mit einer Induktionsheizspule aufgeschmolzen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsstab vorgeheizt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Induktionsheizspulen mit verschiedenen Abmessungen oberhalb einer Stabhalterung koaxial zueinander und koaxial zu der Stabhalterung angeordnet sind und daß die Induktionsheizspulen und die Stabhalterung relativ zueinander in axialer Richtung verschiebbar sind.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Induktionsheizspulen mit seitlichem Abstand voneinander oberhalb einer Stabhalterung angeordnet sind, daß eine der Induktionsheizspulen koaxial zur Stabhalterung ist und daß die zur Stabhalterung koaxiale Induktionsheizspule und die Stabhalterung relativ zueinander in axialer Richtung verschiebbar sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen