DE2458490A1 - Verfahren zum herstellen eines siliciumhalbleiterkristallstabes durch tiegelfreies zonenschmelzen - Google Patents

Description

• Verfahren zum Herstellen eines Siliciumhalbleiterkristallstabes durch tiegeifreies Zonenschmelzen.
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines, aus Silicium bestehenden Halbielterkristallstabes durch tiegelfreies Zonenschmelzen eines durch Abscheidung aus der Gasphase hergestellten polykristallinen Silicium stabes, bei dem als Trägerkörper ein gebogener Siliciuinstab verwendet wird.
• Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, besteht in der Herstellung eires biltigen, einkristallinen Siliciumstabes, d. h. eines Siliciumstabes, der in Bezug auf seine, zu seiner Fertigung erforderlichen Verfahrensschritte leicht und rationell herstellbar ist.
• Es ist bekannt, Siliciumkristalle dadurch herzustellen, daß zunächst durch Abscheidung von Silicium aus der Gasphase mittels thermischer Zersetzung einer gasförmigen Siliciumverbindung an einem erhitzten drahtförmigen Siliciumträgerkörper ein polykristalliner Siliciumstab hergestellt wird, der dann in einem anschließenden tiegelfreien Zonenschmelzprozeß in den einkristallinen Zustand übergeführt wird. Dabei wird dwr Polystab senkrecht stehend mit seinen Enden in Halterungen eingespannt und an das eine pnde des Stabes ein Keimkristallangeschmolzen und von diese ausgehend eine Schmelzzone durch den Stab geführt.
• Um eine möglichst hohe Ausbeute an kristallinem Silicium zu erhalten, werden durch die Gaphasenabscheidung (sog.'C-Verfahren) sehr lange und sehr'dicke Stäbe hergestellt. Diese erfordern beim anschließenden Zonenschmelzprozeß eine sehr große Zonenachmelzanlage mit einem hohen apparativen Aufwand.
• Außerdem muß auch bereits der Reaktor für die Materialabscheidung entsprechend dimensioniert werden. Solche großen Anlagen -sind bezüglich ihrer Herstell- und Betriebskosten relativ aufwendig.
• Die vorliegende Erfindung soll hier Abhilfe schaffen. Sie löst die gestellte Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch, daß erfindungsgemäß der Trägerkörper für die Siliciumabscheidung durch Dünnziehen aus der Schmelzkuppe einesdicken Siliciumstabes in Form von kreisförmig-gebogenen Stäben hergestellt wird, daß dann im Reaktor gleichzeitig an mehreren gebogenen Trägerkörpern eine Siliciumabscheidung durchgeführt wird und daß abschließend die so verdickten, gebogenen Siliciumstäbe leder für sich einem Zonenschmelzprozeß unterworfen und mittels eines Keimkristalls in bekannter Weise in den einkristallinen Zustand übergeführt werden, wobei jeweils der gebogene Siliciumstab gestreckt wird.
• Durch die Lehre der Erfindung ist die WIöglichke-it gegeben, eine gute Ausnützung der zur Herstellung der Polystäbe vorgesehenen Reaktoren durchzuführen, wobei noch der Vorteil vorhanden ist, daß bei der Materialabscheidung durch die Verwendung der gebogenen Trägerkörper gegenüber der bei bekannten Verfahren gestreckten Trägerkörper, welche über Graphitbrücken miteinander verbunden sind, keine Brückenverluste auftreten.
• Außerdem ergibt sich durch die Verwendung der gebogenen Siliciumstäbe eine erhebliche Platzeinsparung beim anschließenden Zonenschmelzprozeß, wodurch eine wesentliche Vereinfachung und Verkleinerung der Zonenschmelzanlage möglich wird.
• Aus der DT-PS 1 066 564 ist die Verwendung eines in Form einer Schraubenlinie gewendelten Siliciumdrahtes als Trägerkörper bei der Materialabscheidung bekannt, doch erfprdert die Herstellung eines solchen gewundenen Siliciumstabes und sein anschließendes Strecken einen hohen technischen Aufwand.
• Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß die Herstellung des Dünnstabes für den Trägerkörper durch Abziehen von der geschmolzenen Kuppe eines Dickstabes mittels einer ringförmigen Induktionsheizspule längs einer Kreisbahn mittels eines Motors mit hochuntersetztem Getriebe bei reiner Drehbewegung erfolgt.
• In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, die für die Siliciumabscheidung im Reaktor erforderliche Trägertemperatur durch induktive Beheizung der in einer Horde aus Graphit oder einem graphitähnlichen Stoff gestapelten, gebogenen Trägerkörper einzustellen. Es ist aber ebenso möglich, die Beheizung der Trägerkörper bei der Siliciumabscheidung auch durch direkten Stromdurchgang der in einer Halterung aus Graphit oder einem graphitähnlichen Stoff befestigten gebogenen Trägerkörper vorzunehmen. Dabei können die beheizten Trägerkörper in Serie oder auch parallel geschaltet werden. Der Vorteil der induktiven Beheizung gegenüber der direkten Beheizung liegt darin, daß sehr saubere Verhältnisse im Reaktor eingestellt werden können, weil keine isolierten Durchführungen in den Reaktionsraum eingebracht werden müssen. Außerdem ist wegen der geringen Spannung eine bessere PacRungsdichte der in Form eines C kreisförmig gebogenen Trägerkörpers möglich. Die direkte Beheizung hat den Vorteil einer günstigeren Anpassung an die Stromversorgung.
• Gemäß einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung ist vorgesehen, die durch die Materialabscheidung verdickten gebogenen Sn7iciums+.äbe beim tberführen in den einkristallinen Zustand durch das tiegelfreie Zonenschmelzen mittels einer ringförmigen Induktionsheizspule in Bezug auf ihren Stabquerschnitt durch Strecken oder Stauchen weiter zu verkleinern oder zu vergrößern. Dabei wird der Streck- bzw. Stauchprozeß durch Ändern der Linear- und Drehgeschwindigkeit der Stabhalterung relativ zueinander und zu der, den Stab ringförmig umschließenden Induktionsheizspule durchgeführt.
• Weitere Einzelheiten werden anhand von Ausführungsbeispielen und der Fig. 1 bis 4 noch näher erläutert. Dabei zeigt die Fig. 1 die Herstellung des Dünnstabes, die Fig. 2 und 3 die Beheizungsarten bei der Materialabscheidung und die Fig. 4 den abschließenden Zonenschmelzprozeß.
• In Fig. 1 wird der als Trägerkörper bei der Materialabscheidung zu verwendende gebogene Dünnstab 2 dadurch hergestellt, daß aus der mittels einer konzentrischen Induktionsheizspule 3 aufgeschmolzenen Kuppe 4 eines aus Silicium bestehenden Dickstabes 5 (Durchmesser 30 mm) mit einer Ziehgeschwindigkeit im Bereich von 8 bis 25 mm ein etwa 5 mm dünner kreisförmig gebogener Polystab (2) gezogen wird. Dabei wird ein dünnes Siliciumansatzstück 6, welches in einer auf der Drehachse eines Motors 7 befindlichen Halterung 8 befestigt ist, mit der Schmelzkuppe 4 in Kontakt gebracht und bei langsamer Umdrehung des Motors 7 von der Schmelzzone wegbewegt. Dabei entsteht durch das an das Ansatzstück 6 ankristallisierte Silicium ein polykristalliner Dünnstab 2 in Form eines fast geschlossenen Kreisbogens mit einem Durchmesser von beispielsweise etwa 50 cm. Der Dickstab 5 wird nach Maßgabe der verbrauchten Schmelze (4) in den Bereich der Induktionsheizspule 3 hineingeschoben (siehe Pfeil 9), so daß die Schmelze 4 laufend ergänzt wird. Auf diese Weise werden eine Anzahl solcher kreisförmig gebogener Trägerkörper hergestellt, die dann in einem weiteren Verfahrensschritt in einem C-Reaktor mit Silicium beschichtet werden.
• Fig. 1 zeigt die Herstellung eines Dünnstabes kurz vor seiner Fertigstellung.
• Fig. 2 zeigt eine Anordnung von gebogenen Siliciumträgerkörpern, wie sie in den C-Reaktor eingebracht werden. Dabei sind die Siliciumträgerkörper 10,11 und 12 in einer Halterung 14 alls Graphit so befestigt, daß sie bei Stromdurchgang in Serie geschaltet sind. Mit den Bezugszeichen 15 und 16 sind die Stromanschlüsse bezeichnet. Der Abstand der einzelnen gebogenen, 5 mm dicken Siliciumkörper 10,11 und 12 wird so eingestellt, daß die Trägerkörper bis zu 45 mm verdickt werden können. Für den Materialabscheidungsprozeß gelten die üblichen, für die Siliciumabscheidung, beispielsweise aus Silikochloroform (SiHC13), bekannten Bedingungen. Durch die reihenweise Anordnung der gebogenen Trägerkörper ist die Möglichkeit gegeben, einen aus einer zylindrischen Quarzglocke bestehenden Reaktor zu verwenden, wobei die Zuführungen für das Reaktionsgas an der Vorderfront angebracht sind.
• Der gleiche Reaktor kann auch verwendet werden, wenn eine induktive Beheizung der Trägerkörper vorgenommen werden soll.
• Dabei werden, wie in Fig. 3 dargestellt, die C- oder kreisförmig gebogenen Siliciumdünnstäbe 20,21,22 und 23 in eine als Kurzschlußbügel dienenden Horde 24 aus Graphit, welche mit Löchern für die Aufnahme der Trägerkörper versehen ist, gestapelt in den aus Quarz bestehenden Reaktor 25 eingebracht.
• Durch eine den Reaktor 25 umgebende Hochfrequenzspule 26 werden die Trägerkörper 20,21,22 und 23 auf die Abscheidetemperatur erhitzt und nach erfolgter Zersetzung des, durch den an der Vorderfront des Reaktors 25 angebrachten Einlaßstutzen 27 einströmenden Reaktionsgases (Pfeil 28) mit Silicium beschichtet. An der mit dem Bezugszeichen 29 bezeichneten Stelle verlassen die Restgase den Reaktionsraum.
• Die durch den Abscheidevorgang erhaltenen gebogenen Siliciumstäbe werden dann gemäß der Erfindung, wie in Fig. 4 dargestellt, durch einen tiegelfreien Zonenschmelzprozeß gerade gebogen und gleichzeitig in den einkristallinen Zustand übergeführt.
• Die Fig. 4 zeigt den Verfahrensschritt etwa im mittleren Zeitabschnitt. In einer, mit der Drehachse eines Getriebemotors 30 verbundenen Halterung 31 befindet sich das eine Ende des gebogenen, polykristallinen, durch Naterialabscheidung verdickten Stabes 32. An das andere Ende wird ein Keimkristall 33 angesetzt und von diesem ausgehend wie beim bekannten Zonenschmelzprozeß eine, durch eine Induktionsheizspule 34 erzeugte Schmelzzone 35 durch den gebogenen Stab bewegt. Der sich von der Schmelzzone 35 entfernende Keimkristall 33 bewegt sich dabei auf einer getdlinigen Bahn (siehe Pfeil 36). Durch eine vom Motor 30 ausgeführte langsame Drehung wird der gebogene Polystab 32 sukzessive der Schmelzzone 35 zugeführt und aufgeschiizen.
• Durch Einstellung der entsprechenden Ziehgeschwindigkeiten, z. B. im Bereich von 3 bis 5 mm/min wird erreicht, daß aus dem etwa bis zu 45 mm verdickten polykristallinen Siliciumstab ein 55 mm dicker Siliciumeinkristall entsteht, wenn zusätzlich zum Begradigungsprozeß durch Einstellung eines entsprechenden Vorschubs für den Polystab (4,5 - 7,5 mm/min) noch ein Stauchprozeß durchgeführt wird. Bei einem Durchmesser des, kreisförmig-gebogenen, auf 45 mm verdickten Siliciumstabes von 50 cm (Durchmesser des Kreisbogens) kann im gestreckten Zustand ein Kristallstab mit einer Länge von 130 cm und einem Durchmesser von 45 mm erhalten werden. Beim Aufstauchen auf 55 mm beträgt die gestreckte Stablänge noch 85 cm.
• Das Verfahren gemäß der Lehre der Erfindung kann auch zur Herstellung von dotierten Siliciumeinkristallstäben verwendet werden, indem bei der Verdickung des Trägerkörpers im Reaktor gleichzeitig mit der Siliciumverbindung Dotierungsstoffe aus der Gasphase abgeschieden werden.
• 8 Patentansprüche 4 Figuren

Claims (8)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 1. Verfahren zum Herstellen eines, aus Silicium bestehenden Halbleiterkristallstabes durch tiegelfreies Zonenschmelzen eines durch Abscheiden aus der Gasphase hergestellten polykristallinen Siliciumstabes, bei dem als Trägerkörper ein gebogener Siliciumstab verwendet wird, d a d u r c h g e k e n'n z e i c h n e t , daß der Trägerkörper für die Siliciumabscheidung durch Dünnziehen aus der Schmelzkuppe eines dicken Siliciumstabes in Form von kreisförmig-gebogenen Stäben hergestellt wird, daß dann im Reaktor gleichzeitig an mehreren gebogenen Trägerkörpern eine Siliciumabscheidung durchgeführt wird und daß abschließend die so verdickten, gebogenen Siliciumstäbe jeder für sich einem Zonenschmelzprozeß unterworfen und mittels eines Keimkristalls in bekannter Weise in den einkristallinen Zustand übergeführt werden, wobei jeweils der gebogene Siliciumstab gestreckt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Herstellung des Dünnstabes durch abziehen von der geschmolzenen Kuppe eines Dickstabes mittels einer ringförmigen Induktionsheizspule und Ziehen des Dünnstabes längs einer Kreisbahn mittels eines Motors mit hochuntersetztem Getriebe bei reiner Drehbewegung erfolgt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die für die Siliciumabscheidung im Reaktor erforderliche Tragertemperatur durch induktive Beheizung der in einer Horde aus Graphit oder einem graphitähnlichen Stoff gestapelten, gebogenen Trägerkörper eingestellt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Beheizung der Trägerkörper bei der Siliciumabscheidung durch direkten Stromdurchgang der in einer Halterung aus Graphit oder einem graphitähnlichen Stoff befestigten gebogenen Trägerkörper vorgenommen wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e-n n -z e i c h n e t , daß die durch direkten Stromdurchgang beheizten Trägerkörper in Serie geschaltet werden.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die durch direkten Stromdurchgang beheizten Trägerkörper parallel geschaltet werden.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, d a d u r c h ge -k e n n z e i c h n e t ,, daß die durch die Materialabscheidung verdickten, gebogenen Siliciurstäbe beim Überführen in den einkristallinen Zustand durch das tiegelfreie Zonenschmelzen mittels einer ringförmigen Induktionsheizspule in Bezug auf ihren Stabquerschnitt durch Strecken oder Stauchen weiter verkleinert bzw. vergrößert werden.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , daß der Streck- bzw. Stauchprozeß zum Verkleinern bzw. Vergrößern des Stabquerschnitts beim tiegelfreien Zonenschmelzen durch Änderung der Geschwindigkeiten der Stabhalterungen relativ zueinander und zu der, den Stab ringförmig umschließenden Induktionsheizspule durchgeführt wird.

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