DE1544320B1 - Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung eines einkristallinen Bandes aus Halbleitermaterial - Google Patents

Description

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Die beanspruchte Vorrichtung geht von einem Abmessungen und der Oberflächeneigenschaften der Stand der Technik aus, wie er durch die USA.-Patent- erhaltenen Bänder und ist auf die Erzielung beschriften 2 927 008 und 3 096158 gegeben ist. stimmter Bandstärken beschränkt.

Der hier verwendete Ausdruck »Band« bedeutet Die vorliegende Vorrichtung vermeidet alle voreinen flachen, in einer ersten Achse verhältnismäßig 5 stehend genannten Nachteile, indem zusätzlich zu der langen, in einer zweiten Achse verhältnismäßig brei- aus der USA.-Patentschrift 3 096 158 bekannten erten (breiter als lang) und in einer dritten Achse ex- sten Kammer eine zweite Kammer vorgesehen ist mit trem dünnen (um ein Vielfaches dünner als breit einer Öffnung, deren Form und Größe etwa der oder lang) Halbleiterkristall. Querschnittsform und -größe des zu bildenden Ban-Die steigenden Ansprüche an eine größere Zuver- io des entspricht, durch welche das aus der ersten Kamlässigkeit von Halbleitervorrichtungen und die dau- mer austretende Halbleitermaterial kontinuierlich in emde Forderung nach verringerten Kosten haben die zweite Kammer eintritt, und indem zwischen dem eine ausgedehnte Mechanisierung der Verfahren zur Band und der Wand der Öffnung in die zweite Kam-Halbleiterherstellung bedingt. Eine solche Mechani- mer eine Kühlgaszuführung eingebaut ist. Mit dieser sierung beruht auf der wirksamen Verwertung von 15 Vorrichtung kann man nun auch sehr dünne Bänder aus gewachsenen Kristallen erhaltenen Scheibchen mit Stärken von etwa 0,125 bis 1,25 mm herstellen, aus einkristallinem Material und ergab bestimmte Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Qualitätsverbesserungen und Kosteneinsparungen. Ausführungsform der beanpruchten Vorrichtung, Die bisherigen Techniken waren jedoch auf eine Fig.2 eine perspektivische Darstellung der Einchargenweise Behandlung einer großen Vielzahl von 20 führung in die zweite Kammer und einzelnen Scheibchen beschränkt. Ferner hat man bei Fig. 3 die Ausführungsform von Fig. 1 mit zuder Bearbeitung der Kristallscheibchen durch Sägen, sätzlichen Mitteln zur Steuerung der Temperatur Läppen, Polieren und Ätzen vor der Verarbeitung zu innerhalb der Vorrichtung.

Halbleitervorrichtungen einen großen Ausschuß, so Die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung besitzt eine gedaß nur etwa 35% der ursprünglich erhaltenen ein- 25 schlossene zylindrische erste Kammer 10, in welcher kristallinen Halbleiterkristalle schließlich zu Halb- kontinuierlich ein Stab 11 aus gereinigtem Halbleitervorrichtungen verarbeitet werden. leitermaterial, ζ. B. Silicium, durch eine im Boden des Bisherige Techniken versuchten eine Lösung des Raums befindliche Öffnung eingeführt wird. Diese vorstehenden Problems dadurch, daß man Halbleiter- Öffnung ist mit einer geeigneten Gasabdichtung 12 material in Form einer kristallinen Bahn zwischen 30 ausgekleidet. Eine Hochfrequenzheizspule 13, die Dendriten wachsen ließ. Dieses Verfahren ist jedoch etwa im Mittelteil der Kammer 10 angeordnet ist, mit vielen Nachteilen behaftet. Die Erzeugung eines schmilzt das Ende des Kristallstabes unter Entstehung Siliciumbandes zwischen zwei Dendriten bedingt, daß einer geschmolzenen Masse 14, die auf dem Ende des die Dendrite aus einer unterkühlten Schmelze ge- Stabes auf Grund ihrer eigenen Oberflächenspannung wachsen sind, da ein dendritisches Wachstum unter- 35 ruht. Flüssiges Halbleitermaterial wird aus der halb des Flüssigkeitsspiegels in unterkühlten Zonen Schmelze 14 durch eine formgebende Führung 16 aberfolgt. Die Temperatur des dendritischen Wachstums gezogen, welche das flüssige Halbleitermaterial zu liegt etwa 5 bis etwa 15° C unterhalb des normalen einem dünnen, flüssigen Band 15 formt. Dieses Band Schmelzpunktes. Wenn diese unterkühlte Zone er- wird dann durch eine Öffnung 18 in das Innere einer zeugt ist, muß sie durch ein mit einer Genauigkeit 40 zweiten Kammer 17 gezogen, wobei die Öffnung 18 von etwa ± 0,01° C arbeitendes Kontrollsystem auf etwa die Querschnittsabmessungen des zu bildenden einer im wesentlichen konstanten Temperatur gehal- einkristallinen Bandes besitzt. Die Stelle, an der das ten werden. Kritische Wärmegefälle in dem Tiegel Band seine endgültige Form erhält, ist im Detail in und in dem Abdecksystem müssen zur Aufrechterhai- der vergrößerten Ansicht von Fig. 2 dargestellt, rung der für ein dendritisches Wachstum erforder- 45 In der Vorrichtung von F i g. 1 tritt Kühlgas durch liehen unterkühlten Zone eingehalten werden; das die Öffnung 19 in die erste Kammer 10 ein. Wie sind verwickelte und schwierige Anforderungen an durch die Pfeile in F i g. 1 angezeigt ist, strömt das ein Herstellungsverfähren. Gas zwischen den Wänden der zweiten Kammer 17 Ferner sind die an die Impfkristalle, welche ein und der ersten Kammer 10 nach unten und wird dendritisches Bandwachstum in Gang setzen, zu stel- 50 durch die Öffnung 18 ins Innere der zweiten lenden Anforderungen sehr kritisch. Kammer 17 gepreßt, und zwar zusammen mit dem Auch darf das fertige Halbleiterband keine Den- flüssigen, durch diese Öffnung tretenden Band 15. drite mehr aufweisen, die also vor seiner Weiterver- Das durch die Öffnung 18 strömende Kühlgas ergibt wendung entfernt werden müssen und so ein kon- eine geregelte Erstarrung des flüssigen Halbleitertinuierliches Verfahren unpraktisch machen. 55 bandes zu einem einkristallinen Halbleiterband. Mit Es ist weiter aus der USA.-Patentschrift 3 096 158 zunehmendem Querschnitt des Kristalls wird der eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung Gasstrom durch die Öffnung verringert, und der Grad eines einkristallinen Bandes aus Halbleitermaterial der Wärmeübertragung von dem erstarrenden Kristall bekannt, enthaltend eine erste Kammer, durch welche auf das Kühlgas nimmt ab. Daraus folgt, daß der ein fester Stab aus Halbleitermaterial axial nach oben 60 Kristallquerschnitt so lange automatisch verringert geführt wird, wobei er eine lokalisierte Erhitzungs- wird, bis der Gasstrom zunimmt. Der Effekt ist dann zone in der ersten Kammer unter fortschreitendem umgekehrt. Das Kühlgas kann ein beliebiges Gas sein, Schmelzen durchläuft, und eine formgebende Füh- welches den Halbleiter nicht verunreinigt, beispielsrungsöffnung in der ersten Kammer, deren Form und weise Helium oder Argon.

Größe etwa dem Querschnitt des zu bildenden Ban- 65 Das einkristalline Halbleiterband 20 wird kontinu-

des entspricht. ierlich auf beliebige Weise, z. B. mittels Rollen 21,

Diese elektromagnetisch arbeitende Vorrichtung 22 und 23 aus der zweiten Kammer 17 abgezogen

besitzt nun Mängel in bezug auf die Kontrolle der und gelagert oder kontinuierlich einer Einrichtung

ORIGINAL INSPECTiP

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zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen züge- mechanismus (nicht dargestellt) kann vorgesehen sein,

führt. um neue Stäbe nach Verbrauch des ersten Stabes zu-

Es sei bemerkt, daß die Form und die Größe des zuführen, ohne daß das Verfahren unterbrochen zu erzeugten Kristallbandes durch die formgebende Füh- werden braucht. Durch diese kontinuierliche Zuführung 16 sowie durch die Form und die Größe der 5 rung kann die Verwendung einer in einem Tiegel beÖffnung 18 bestimmt wird. Die formgebende Führung findlichen Schmelze und somit eine wesentliche 16 übt auf die durch Oberflächenspannungskräfte Quelle für Verunreinigungen vermieden werden. Ferzusammengehaltene Flüssigkeit einen Druck aus, wel- ner können übliche Heizmittel, z. B. eine Hochcher die Flüssigkeit in Form eines dünnen Flüssig- frequenzerhitzung, zur Erzeugung einer gleichmäßig keitsbandes zwingt. Da der Halbleiter beim Durch- io erhitzten, geschmolzenen Zone verwendet werden, tritt durch die Führung 16 flüssig ist, wird die Form In der Vorrichtung können durch Zusatzheizungen des Bandes durch diese Führung bestimmt. Die Füh- und Wärmereflektoren die Temperaturverhältnisse rung 16 soll eine isotherme, rechteckige Ebene bie- weiter beeinflußt werden.

ten, durch welche der flüssige Halbleiter so gezogen Eine bevorzugte Ausführungsform ist in Fig. 3

wird, das die Zwischenfläche zwischen Schmelze und 15 dargestellt. Die Vorrichtung von F i g. 3 entspricht

Feststoff rechteckig und parallel zur Ebene der Öff- der von F i g. 1, besitzt jedoch zusätzlich eine Wick-

nung 18 ist. Die Führung 16 kann zur Aufrechterhai- lung 33, die eine Wärmefalle bildet, welche die

tung des erforderlichen isothermen rechteckigen Energie der Heizwicklung 13 auf das Ende des Sta-

Querschnitts erwärmt oder gekühlt werden, damit bes 11 unter Bildung einer geschmolzenen Masse 14

sich beim Hindurchziehen das geschmolzene Band 20 aus Halbleitermaterial konzentriert. Die geschmol-

bildet. zene Masse wird auf dem Ende des Stabes auf Grund

Das durch die Öffnung 18 strömende Gas (F i g. 1 ihrer eigenen Oberflächenspannung gehalten, und 2) ergibt eine weitere Regelung der Form des Flüssiges Halbleitermaterial wird aus der Schmelze Halbleiterbandes. Da das Band nicht mit den Wan- 14 durch eine formgebende Führung 32 abgezogen, den der Öffnung 18 in Berührung kommt, kann für 25 welche dem Halbleitermaterial die Form eines dündie zweite Kammer 17 z. B. Quarz verwendet werden. nen Flüssigkeitsbandes verleiht. Die formgebende Wenn das Flüssigkeitsband 15 in die Öffnung 18 ge- Führung 32 besteht aus einer kreisförmigen Scheibe zogen wird, führt das zwischen den Wänden der öff- mit einem in der Mitte angeordneten Schlitz oder nung und dem Flüssigkeitsband strömende Gas einer Öffnung mit der Form und der Größe der geWärme von dem Band ab und läßt es kristallisieren. 3° wünschten Querschnittsabmessungen des Bandes. Die Das durch die Öffnung 18 strömende Gas schafft Führung 32 besitzt an der Unterseite in der Mitte eine zweite isotherme rechteckige Fläche, durch eine Ausnehmung. Diese Ausnehmung stimmt grob welche das Band gezogen wird. Dieses isotherme mit der Krümmung der Oberfläche der flüssigen Rechteck wird auf dem Erstarrungspunkt des Halb- Masse 14 überein und unterstützt die Einführung des leiterbandes gehalten; dieses kristallisiert somit bei 35 flüssigen Materials in den Schlitz, seinem Durchtritt durch die Öffnung 18 und bildet In Nähe des Flüssigkeitsbandes 15 kann oberhalb dann das feste Band 20. Die beiden isothermen, der formgebenden Führung 32 ein Wärmereflektor 34 rechteckigen Ebenen bei 16 und 18 schaffen eine ge- aus hochschmelzendem Material angeordnet sein, regelte Temperaturzone mit einem Wärmegefälle, in welcher die Aufrechterhaltung eines gleichmäßigen welchem das Flüssigkeitsband von der Führung 16 40 Temperaturgefälles noch weiter unterstützt. Die Form an allmählich bis auf seinen Erstarrungspunkt abge- des Bandes wird im wesentlichen durch die öffnung kühlt wird. Die Zwischenfläche zwischen Schmelze in der formgebenden Führung 32 bestimmt; die Tem- und Feststoff verläuft parallel zu den rechteckigen peratur des Flüssigkeitsbandes 15 muß jedoch allisothermen Ebenen der Öffnung in der Führung und mählich zur Erzielung einer gleichmäßigen Erstarder Öffnung 18. Das Band erstarrt somit gleichmäßig 45 rung erniedrigt werden. Der Reflektor 34 berührt das unter Bildung eines einkristallinen Bandes. Flüssigkeitsband nicht, vielmehr wird von ihm

Die Strömungsgeschwindigkeit, die Wärmeleitfähig- Wärmeenergie zur Aufrechterhaltung eines gleichkeit und die spezifische Wärme des Gases sind Fak- mäßigen Temperaturgefälles auf das Band 15 abgetoren, welche die Temperatur des durch die Öffnung strahlt und reflektiert.

18 tretenden Halbleiterbandes beeinflussen. Gas- 50 Zusätzliche Erhitzer 31 sind etwa im oberen Ab-

mischungen, z. B. Argon-Helium-Mischungen, kön- schnitt des Raums 10 zur Aufrechterhaltung eines

nen zur Erzielung der gewünschten spezifischen gleichmäßig abnehmenden Temperaturgefälles über

Wärme und Wärmeleitfähigkeit mit jeder Strömungs- das Halbleiterband angeordnet. Durch allmähliche

geschwindigkeit verwendet werden. Ein reduzierendes Abkühlung des Bandes werden Verzerrungen und an-

Gas kann ebenfalls verwendet werden. 55 dere störende Einflüsse von Wärmeschocks ver-

Wie man sieht, wird die anfängliche Verformung mieden.

des Bandes durch die Führung 16 bewirkt, und eine Vorerhitzer 30 können zur Vorerhitzung des Halbzusätzliche Verformung und Erstarrung wird durch leiterstabes 11 vor dem Schmelzen verwendet werden, das durch die Öffnung 18 zusammen mit dem Flüs- Die Vorerhitzer liefern eine zur Erhitzung des Stabes sigkeitsband 15 hindurchtretende Kühlgas hervorge- 60 H auf eine Temperatur unterhalb seines Schmelzrufen. Auf diese Weise können dünne Bänder aus punkts ausreichende Energie. Dadurch erzielt man einkristallinem Halbleitermaterial mit bestimmten eine zusätzliche Kontrolle über das schmelzende Stärken von etwa 0,125 bis etwa 1,25 mm und mit Ende des Stabes, da das die Schmelzzone errreichende verschiedenen Breiten von etwa 2,5 bis etwa 25 mm Material auf einer konstanten Temperatur gehalten kontinuierlich hergestellt werden. 65 wird. Der Stab 11 kann auch bei seiner Einführung

Die Verwendung eines Stabes oder einer Stange in den Raum 10 gedreht werden. Eine Drehung des

aus dem Zuführungsmaterial ergibt einen kontinuier- Stabes 11 gewährleistet ein gleichmäßiges Wachstum

liehen Betrieb. Ein geeigneter mechanischer Förder- aus dem geschmolzenen Bereich 14 und eine gleich-

mäßige Dotierung des Bandes, wenn ein dotierter Stab 11 zur Anwendung kommt.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung eines einkristallinen Bandes aus Halbleitermaterial, enthaltend eine erste Kammer, durch welche ein fester Stab aus Halbleitermaterial axial nach oben geführt wird, wobei er eine lokalisierte Erhitzungszone in der ersten Kammer unter fortschreitendem Schmelzen durchläuft, eine formgebende Führungsöffnung in der ersten Kammer, deren Form und Größe etwa dem Querschnitt des zu bildenden Bandes entspricht, gekennzeichnet durch eine zweite Kammer (17) mit einer Öffnung (18), deren Form und Größe etwa der Querschnittsform und -größe des zu bildenden Bandes entspricht, durch welche das aus der ersten Kammer austretende Halbleitermaterial kontinuierlich in die zweite Kammer eintritt, und durch eine Kühlgaszuführung zwischen dem Band und der Wand der Öffnung (18) in die zweite Kammer.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Wärmereflektor (34), der das aus der formgebenden Führung (32) austretende Flüssigkeitsband (15) vor dessen Eintritt in die öffnung (18) mit einem Spiel umgibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen