DE1972928U - Vorrichtung zum ziehen eines kristallinen stabes, insbesondere halbleiterstabes, aus einer schmelze. - Google Patents

Description

Vorrichtung zum Ziehen eines kristallinen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes, aus einer Schmelze

Beim Ziehen von Kristallen aus der Schmelze nach Czochralski wird in eine Schmelze eines kristallinen Stoffes ein Keimkristall eingetaucht und dann nach oben herausgezogen. An dem Keimkristall wächst dann Material an, das aus der Schmelze ausfriert. Durch Regelung der Ziehgeschwindigkeit und der Temperatur der Schmelze läßt sich der Durchmesser des aufwachsenden Kristalls bestimmen. Das Verfahren nach Czochralski wird insbesondere zum Züchten von Halbleitereinkristallen, ζ.Bo aus Germanium, angewendet. Die Schmelze wird hierbei in einem Tiegel gehalten, der z.B. aus Graphit oder Quarz bestehen kann, und der von außen beheizt wird. Er kann beispielsweise durch Wärmestrahlung, durch Elektronenstrahlung oder im falle von Graphit oder einem anderen elektrisch leitenden Material galvanisch oder induktiv beheizt werden. Gegebenenfalls kann auch die Schmelze allein induktiv beheizt werden.

Der Hauptnachteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, daß die Schmelze mit einem Fremdstoff, nämlich der Tiegelwand, in Berührung steht, und dadurch beeinflußt werden kann. Dies ist besonders bei Stoffen mit hoher Schmelztemperatur, wie zum Beispiel Silizium, unerwünscht, weil bei hohen Temperaturen die Schwierigkeiten weiter zunehmen. So bildet beispielsweise eine Silizium-

25. 8. 1967

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schmelze in einem G-raphittiegel Siliziumkarbid, was sich störend auf das Kristallwachstum auswirkt» Bei einer Behandlung von Silizium in Quarztiegeln hingegen nimmt das Silizium Sauerstoff auf.

Beim tiegelfreien Zonenschmelzen wird ein Stab des zu behandelnden Stoffes an beiden Enden gehaltert und eine Sehmelzzone über die Stablänge geführt. Me Sehmelzzone wird lediglich durch Oberflächenkräfte gehalten und steht nur mit dem benachbarten festen Stabteil in Berührung. Sie kann deshalb keine Yerunreinigungen aufnehmen oder in anderer Weise durch Fremdstoffe gestört werden. Der Nachteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, daß es auf Stäbe einer bestimmten Größe beschränkt ist, da die Schwierigkeiten mit zunehmendem Durchmesser der Stäbe ebenfalls zunehmen. Bei großen Stabdurchmessern reichen die Oberfläehenkräfte der Schmelze nicht aus, das in der Schmelze befindliche Material zusammenzuhalten. Werden nun zusätzliche Stützkräfte, beispielsweise in Form eines elektromagnetischen Feldes, vorgesehen, so haben diese zusätzlichen Stützkräfte nachteilige Folgen hinsichtlich der Kristallqualität, indem beispielsweise die Lebensdauer der Minoritätsträger in Siliziumkristallen verschlechtert wird.

Weiter ist das sogenannte Tiegelpodestverfahren bekannt geworden«. Es besteht darin, daß auf einem geschlitzten Podest des zu behandelnden Materials eine Scheibe des gleichen Materials aufgelegt und induktiv geschmolzen wird« Aus dieser Schmelze, die nur mit dem gleichen Material in Berührung kommt, wird dann ein Kristall gezogen. Auch dieses Verfahren weist den lachteil auf, daß mit

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zunehmender Größe des zu züchtenden Kristalles die Schwierigkeiten im Hinblick auf das Zusammenhalten der Schmelze zunehmen.

Die feuerung sieht eine Vorrichtung vor, mit der sich Kristalle auch größeren Durchmessers gut erzeugen lassen., ohne daß die Gefahr des Abtropfens der Schmelzzone oder der auf einem Podest befindlichen Schmelze besteht. Die Neuerung betrifft deshalb eine Torrichtung zum Ziehen eines einkristallinen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes, aus einer mittels einer Induktionsheizspule auf einem Podest erzeugten Schmelze» Sie ist gemäß der Neuerung dadurch gekennzeichnet, daß als Podest ein kristalliner Stab vorgesehen ist, der an seiner Oberfläche mehrere zur Ziehrichtung mindestens angenähert parallel verlaufende Schlitze aufweist» Mit Vorteil ist die Tiefe der Schlitze, gemessen am Durchmesser des kristallinen Stabes, gering. Außerdem ist es günstig, daß sich die Schlitze über die gesamte Länge des kristallinen Stabes erstrecken«

Die Vorteile der neuerungsgemäßen Vorrichtung bestehen insbesondere darin, daß der als Podest vorgesehene kristalline Stab aus dem Stoff besteht, aus dem der Kristall gezüchtet werden soll; daß seine Oberfläche derart mit Schlitzen versehen ist, daß die Oberfläche nicht an die induktive Beheizungsquelle angekoppelt ist, während das Innere des Körpers induktiv beheizt wird« Auf diese Weise wird erreicht, daß die induktiv beheizte Schmelze seitlich von einer korbartigen Halterung aus dem gleichen Stoff gehalten wird.

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Die Schlitze müssen eine solche Größe und Lage haben, daß sie die Ausbildung dieser korbartigen Einfassung ermöglichen. Wenn man von einem kristallinen Stab mit rundem Querschnitt ausgeht, so können in diesem Stab vom Umfang her Schlitze eingearbeitet sein. Diese Schlitze verlaufen zweckmäßig parallel zur Achse des Zylinders. Die Tiefe der Schlitze muß so klein bemessen sein, daß die dazwischen stehen bleibenden Felder nicht nennenswert an die Induktionsheizspule angekoppelt werden. Weiter muß die Tiefe so bemessen sein, daß möglichst wenig des Materials für diese Felder verbraucht wird, da ja nur das innerhalb der Felder befindliche Material zum Aufbau des Kristalls herangezogen wird. Andererseits müssen die Felder eine genügende mechanische Festigkeit besitzen, so daß die Schmelze gehalten werden kann» Die Felder dürfen also nicht brechen und sich auch nicht wegbiegen. Bei hohen Temperaturen wird die Biegefestigkeit des Stabes erheblieh herabgesetzt. Die von der Schmelze den Feldern zugeführte Wärme muß restlos abgeführt werden, damit die Felder nicht ebenfalls in die Schmelze mit einbezogen werden. Zweckmäßig wird das Verfahren deshalb im Vakuum ausgeführt, in dem durch Abstrahlung vom Umfang der Felder Wärme abgeführt werden kann. Andererseits kann das Verfahren auch gegebenenfalls unter Schutzgas durchgeführt werden, wobei das Schutzgas zur Kühlung durch Konvektion dient.

Die Breite der Schlitze spielt nur eine geringe Rolle, da die Oberflächenkräfte der meisten Stoffe derart groß sind, daß sie eine Schmelze auch bei verhältnismäßig großen Abständen zwischen den stehen bleibenden Feldern zu halten gestatten. So ist bei-

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spielsweise beim Silizium das tiegelfreie Zonenschmelzen bekannt, bei dem Schmelzzonen von z.B. 20 mm Durchmesser und 15 mm Länge ohne weiteres zwischen zwei benachbarten festen Stabteilen gehalten werden. Hierbei spielt insbesondere auch die geringe Dichte des Siliziums eine Rolle, da die durch die Schwerkraft ausgeübten Kräfte dadurch sehr gering ausfallen.

Anha,nd eines Ausführungsbeispiels sollen weitere Einzelheiten der leuerung erläutert werden. In der Zeichnung ist eine Schmelze 2 dargestellt, welche sich innerhalb der Felder 3 befindet, die durch Schlitze 4 voneinander getrennt sind. Die Schmelze wird durch eine Induktionsheizspule 5 beheizt. Aus der Schmelze 2 wird nach oben ein Kristall 6 herausgezogen.

Man kann beispielsweise von einem ungeschlitzten Siliziumstab ausgehen, der einen Durchmesser von beispielsweise 100 mm aufweist« In diesen Stab werden vom Umfang her Schlitze eingesägt, z.B. mit Hilfe einer Diamantsäge, welche eine Tiefe von etwa 4 bis 5 Htm und eine Breite von etwa 0,5 bis 1 mm aufweisen. Der Abstand von Schlitz zu Schlitz, d.h. die spätere Feldbreite, ka,nn etwa 5 bis 10 mm betragen. Mach dem Anbringen der Schlitze wird der Halbleiterkörper zweckmäßigerweise geätzt und in destilliertem Wasser gespült, damit sämtliche Verunreinigungen, die durch das Einbringen der Schlitze hervorgerufen werden, wieder beseitigt werden.

Mit Hilfe einer das obere Teil des zylinderförmigen Körpers umschließenden Induktionsheizspule wird das Innere des Körpers

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geschmolzen. Der Halbleiterkörper kann zweckmäßigerweise mit Hilfe von Wärmestrahlung vorbeheizt werden, damit eine Stromaufnahme gewährleistet wird. Die Schmelze bildet sich lediglieh im Inneren des Körpers aus, da die einzelnen Felder 3 nicht an die Induktionsheizspule 5 ankoppeln. Der Induktionsheizspule, die z.B. fünf Windungen besitzen kann, kann eine Leistung von etwa 5 bis 20 kW zugeführt werden, bei einer Frequenz von 1 bis 5 MHz.

Wird nun in die Schmelze ein Keimkristall, zweckmäßigerweise in einkristalliner Form, getaucht, so kann durch Herausziehen dieses Keimkristalls ein Kristall gezüchtet werden. Es lassen sich beispielsweise aus der Schmelze, die wie im vorliegenden Pail etwa 90 mm Durchmesser aufweist, Kristalle bis zu 70 mm Durchmesser züchten. Hierbei wird die Schmelze aufgebraucht. Zweekmäßigerweise wird deshalb die Induktionsheizspule, bezogen auf den Halbleiterstab, nach unten bewegt bzw» der Halbleiterstab, bezogen auf die Induktionsheizspule, nach oben, wodurch neue Abschnitte des inneren Teiles des Körpers geschmolzen werden.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, der Schmelze ständig neuen Stoff zuzuführen, wodurch ein quasistationäres Verfahren ermöglicht wird. Der Stoff kann beispielsweise in Form von Köro-ern zugeführt werden. Vorteilhaft wird er in Form einer Schmelze zugeführt, indem beispielsweise oberhalb der innerhalb der Felder 3 befindlichen Schmelze ein dünnerer Halbleiterstab durch Beheizung an seinem unteren Ende geschmolzen wird, wodurch der schmelzende Stoff abtropft und in die Schmelze 2 hineintropft bzw. hineinläuft»

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Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, den einmal geschlitzten Stab ständig weiterzuverwenden, ohne daß dieser aufgebraucht oder vernichtet wird.

Die Vorrichtung gemäß der Neuerung kann zweckmäßigerweise in einem Vakuumgefäß oder einem mit einem Schutzgas gefüllten Gefäß untergebracht sein.

1 Figur

4 Schutzansprüche

Claims (1)

RA. 493 900*26.8.67 PLA 64/1576 Schutzansprüche

1. Vorrichtung zum Ziehen eines kristallinen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes, aus einer mittels einer Induktionsheizspule auf einem Podest erzeugten Schmelze, dadurch gekennzeichnet, daß als Podest ein kristalliner Stab vorgesehen ist, der an seiner Oberfläche mehrere zur Ziehrichtung zumindest angenähert parallel verlaufende Schlitze aufweist»

2« Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Schlitze, gemessen am Durchmesser des kristallinen Stabes, gering ist.

3» Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Stabdurchmesser von etwa 100 mm die Tiefe der Schlitze etwa 4 bis 5 mm beträgt.

4» Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schlitze über die gesamte länge des Stabes erstrecken.

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