AT223659B - Verfahren zur Herstellung von versetzungsfreiem einkristallinem Silizium durch tiegelfreies Zonenschmelzen - Google Patents

Description

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   Verfahren zur Herstellung von versetzungsfreiem einkristallinem Silizium durch tiegelfreies Zonenschmelzen 
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 eine geeignete Heizvorrichtung, z. B. eine Induktionsspule 4 erzeugt werden kann. Die Induktionsspule 4 wird mit Hochfrequenz von z. B. 4 MHz gespeist und kann zweckmässigerweise als Flachspule ausgebildet sein. Dies bringt den Vorteil, dass die Schmelzzone besonders kurz gehalten werden kann. Die Induk- tionsspule 4 kann mit Hilfe einer Transporteinrichtung, z. B. einer Spindel, die einen Schlitten bewegt, über die gesamte Stablänge geführt werden. 



   An das untere Ende des Siliciumstabes 2 wird ein Keimkristall 5 angeschmolzen, der einen wesent- lich geringeren Querschnitt als der Siliciumstab 2   hat.'Der   Siliciumstab 2 kann z. B. einen Durchmesser von 12 mm aufweisen und der Keimkristall 5 einen solchen von 3 bis 5 mm. Sowohl das obere Ende des
Siliciumstabes 2 als auch das untere Ende des Keimkristalles 5 sind in Halterungen eingespannt, die in
Achsrichtung des Stabes gegeneinander bewegt werden können. 



   Es sei angenommen, dass der Siliciumstab 2 eine solche Reinheit habe, dass er praktisch nicht lei- tend ist. Zwecks Erzeugung einer Schmelzzone muss der Stab deshalb zumindest an einer Stelle so weit vorgewärmt werden, dass er geringfügig leitend wird. Die- weitere Aufheizung kann dann mit Hilfe der
Heizspule durch Hochfrequenz erfolgen. Die Vorwärmung kann vermittels Strahlung durchgeführt werden oder z. B. in der Weise, dass an der oberen Einspannstelle des Siliciumstabes 2 ein leitfähiger Stoff, z. B. 



  Molybdän, angebracht wird, der dann mit Hilfe der Induktionsspule 4 erwärmt werden kann und das benachbarte Halbleitermaterial durch Wärmeleitung erwärmt. Das gesamte Verfahren wird in einer Hochvakuumkammer wieder unter Schutzgas durchgeführt. 



   Von der vorgewärmten Stelle her wird eine Glühzone durch den Siliciumstab 2 nach unten bis zur Ansetzstelle des Keimkristalles 5 geführt. Hier wird nun der Siliciumstab aufgeschmolzen und der Keimkristall 5 angeschmolzen. Vorteilhaft wird der Übergang zwischen dem dicken Siliciumstab 2 und dem dünnen Keimkristall 5 zu einem flachen Konus ausgestaltet. 



   Nach dem Anschmelzen des Keimkristalles wird die Schmelzzone dann durch den gesamten Siliciumstab bis an dessen oberes Ende geführt, eine Glühzone bis an den Keimkristall geführt, und dieses mehrfach wiederholt. Hiebeikann die Geschwindigkeit der Heizspule bei   der Aufwärtsbewegung (Schmelz-   zone) beispielsweise 3 mm pro Minute betragen und bei der Abwärtsbewegung (Glühzone) 200 mm pro Minute. 



   Bei dem letzten Durchgang der Schmelzzone wird in folgender Weise verfahren. Nachdem die Glühzone am Keimkristall angekommen ist, wird die Spulenbewegung angehalten. Nach dem Entstehen der Schmelzzone wird die Heizspule 4 mit einer Geschwindigkeit grösser als 7 mm pro Minute z. B. 10 mm pro Minute nach oben geführt. Gleichzeitig werden an der Stelle 6, an der der Keimkristall 5 in den flachen Konus übergeht, die Stabenden mit einer Geschwindigkeit von 25 mm pro Minute oder mehr auseinanderbewegt, bis an dieser Stelle der Durchmesser des Siliciums auf etwa 2 mm verjüngt ist. Danach wird die Bewegung der Stabenden abgeschaltet. Man kann gegebenenfalls einige mm oberhalb der ersten Verjüngung noch eine zweite Verjüngung in der gleichen Weise anbringen. 



   Nach. Beendigung der Bewegung der Stabenden wird die Geschwindigkeit der Heizspule stetig vermindert. Diese stetige Verminderung soll sich etwa über die Länge des Konus erstrecken. Im vollen Querschnitt des Siliciumstabes - im vorliegenden Beispiel also bei 12 mm Durchmesser - wird dann eine Geschwindigkeit der Heizspule von kleiner als 7 mm pro Minute, beispielsweise 4 mm pro Minute, erreicht. Diese Geschwindigkeit wird bis zum oberen Ende des Stabes beibehalten. Falls in bekannter Weise eine der   Stabhalterungen   beispielsweise die untere, während des Zonenschmelzens in Drehung versetzt wird, so   muss   diese Drehung vibrationsfrei sein. Andernfalls wird sie während dieses letzten Durchganges der Schmelzzone abgeschaltet, um möglicherweise auftretende Erschütterungen auszuschliessen.

   Die nach diesem Verfahren hergestellten Siliciumeinkristalle waren völlig versetzungsfrei. 



   Eine Deutung der bei dem beschriebenen Verfahren sich ergebenden Verbesserung der Kristallqualität kann in folgenden Überlegungen gefunden   werden : Zunächst   einmal wachsen aus einem Keimkristall mit geringem Querschnitt wesentlich weniger Versetzungen als aus einem Keimkristall mit stärkerem Querschnitt in den entstehenden Einkristall hinein. Eine weitere Verminderung bringt dann die Querschnittsverringerung bei dem letzten Durchgang der Schmelzzone. Die Verringerung der Versetzungen durch die Verkleinerung der Temperaturgradienten infolge dieser beiden Massnahmen spielt ebenfalls eine Rolle. 



   Hinzu kommt, dass die   im Keimkristall vorhandenen Versetzungen   vermutlich der hohen Wanderunggeschwindigkeit der Schmelzzone im Keimkristall nicht mehr folgen   können   und   sozusagen"abgehängt"   werden. Das Neuentstehen von Versetzungen im dickeren Teil des Siliciumstabes wird dagegen unter anderem durch eine geringere Geschwindigkeit der Bewegung der Schmelzzone verhindert. In diesem Zusammenhang ist die stetige Verminderung der Geschwindigkeit im Übergangsbereich zwischen den beiden unterschiedlichen Querschnitten sehr wichtig.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH : Verfahren zur Herstellung von versetzungsfreiem einkristallinem Silicium durch tiegelfreies Zonenschmelzen mit mehrfachem Durchlauf der Schmelzzone durch einen senkrecht stehenden, an seinen Enden gehaltenen Siliciumstab, an dessen eines Ende ein einkristalliner Keimkristall mit einem wesentlich geringeren Querschnitt als der Siliciumstab angeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass alle Durchgänge der Schmelzzone im Keimkristall beginnen, und dass bei dem letzten Durchgang der Schmelzzone die Wanderungsgeschwindigkeit der Schmelzzone im Keimkristall zwischen 7 und 15 mm pro Minute gewählt wird, dass der Siliciumquerschnitt an der Übergangsstelle vom Keimkristall zum Siliciumstab durch zeitweiliges Auseinanderbewegen der Stabenden mit einer Geschwindigkeit grösser als 25 mm pro Minute eingeschnürt wird,

   dass von dieser Einschnürungsstelle aus bis zum Erreichen des vollen Querschnittes des Siliciumstabes die Geschwindigkeit der Schmelzzone stetig vermindert wird, und dass schliesslich die Schmelzzone durch den Siliciumstab mit einer Geschwindigkeit kleiner als 7 mm pro Minute hindurchgezogen wird.