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Verfahren zum Herstellen von langgestreckten, insbesondere bandförmigen Halbleiterkörpern aus einer Halbleiterschmelze und
Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von langgestreckten, insbesondere bandförmigen
Halbleiterkörpern aus einer bis unter den Schmelzpunkt unterkühlten Schmelze des Halbleitermaterials, wobei der dendritisch an einen Keimling anwachsende Halbleiterkörper aus der Schmelze gezogen wird.
Als Dendriten werden dabei flächig oder bandförmig ausgebildete Einkristalle bezeichnet, zu deren Wachstum das Vorhandensein einer ungeraden Anzahl parallel zur Oberfläche ausgerichteter Zwillingsebenen notwendig ist.
Derartige Verfahren sind an sich bereits bekannt. Jedoch wurde in diesen Fällen der Halbleiterkörper aus einer in einem Tiegel gehaltenenschmelze gezogen, so dass die bekannten Nachteile der Verunreinigung des Halbleitermaterials durch die Tiegelwandung auftreten, die insbesondere dann von Nachteil sind, wenn es sich um hochschmelzende Halbleiterstoffe, wie z. B. Silizium, handelt. Es ist auch schon bekannt, diese Nachteile des Tiegels dadurch zu vermeiden, dass aus einer tiegellos gehaltenen Schmelze, die z.
B. als Schmelzkuppe auf einem am oberen Ende eines dicken Halbleiterstabes mittels eines in die Schmelze getauchten Keimlings ein im Vergleich zum Halbleiterstab dünner Einkristall fortlaufend gezogen wird ; hiebei kann der Schmelze fortlaufend neues Halbleitermaterial zugeführt werden, indem die der Schmelze benachbarten Teile des die Schmelze tragenden Halbleiterstabes zum Schmelzen gebracht werden. Bei diesem bekannten Verfahren wurde aber die Schmelze durchgehend über der Schmelztemperatur des Halbleitermaterials gehalten.
Da aber bei dem dendritischen Ziehen eine Unterkühlung der Schmelze erforderlich ist, war insbesondere bei der vielfach üblichen induktiven Erhitzung und der damit verknüpften Durchwirbelung der Schmelze höchstens ein unregelmässiges Wachsen von vielen Dendriten, vor allem an der Grenze zwischen dem die Schmelze haltenden Halbleiterstab und der Schmelze zu erwarten.
Eingehende Versuche haben jedoch gezeigt, dass diese Bedenken nicht zu Recht bestehen, sondern dass es möglich ist, einwandfreie Dendrite aus einer tiegellosen Schmelzzone dadurch zu ziehen, dass durch entsprechende Ausbildung der Heizvorrichtung und entsprechende Steuerung der gleichzeitigen Wärmeabfuhr (Kühlung) es möglich ist, einwandfrei aus einer tiegelfrei gehaltenen Schmelze einen dendritisch an einen Keimling anwachsenden Halbleiterkörper zu ziehen.
Dies wird dadurch erreicht, dass eine Halbleiterschmelze von einem, aus dem Halbleitermaterial der Schmelze bestehenden Träger gehalten und von einer Heizvorrichtung im wesentlichen nur die dem Träger benachbarten Teile bis über die Schmelztemperatur erhitzt werden, während die Temperatur der an den Keimling angrenzenden Teile der Schmelze durch Verringerung der in diesen Schmelzteilen von der Heizvorrichtung in der Zeiteinheit erzeugten Warmemenge z. B. mittels eines Kurzschlussringes eines kühlenden Gasstromes od. dgl. unter der Schmelztemperatur des Halbleitermaterials gehalten wird und dass der infolge der Unterkühlung dendritisch an den Keimling anwachsende Halbleiterkörper aus dem unterkühlten Teil der Schmelze gezogen wird.
Um also nur einen Teil der Schmelze auf eine Temperatur unter der Schmelztemperatur des Halbleitermaterials zu halten, wird gemäss der Erfindung durch zusätzliche Mittel die von der Heizvorrichtung in diesem Teil der Schmelze in der Zeiteinheit erzeugte Wärmemenge klein gehalten. Dies kann z. B. bei der induktiven Erhitzung dadurch geschehen, dass in der Nähe des kühl zu haltenden Schmelzteiles
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ein gut leitfähiger Kurzschlussring aus Metall gebracht wird, der infolge seiner Kurzschlusswirkung das
Fliessen voninduktionsströmen in dem kühl zu haltenden Teil der Schmelze unterdrückt. Wird statt dessen die Schmelze z. B. durch Wärmestrahlung erhitzt, so empfiehlt es sich, den kühler zu haltenden Teil der
Oberfläche der Schmelze gegen das Auftreffen der Wärmestrahlung abzuschirmen.
Zusätzlich oder an
Stelle dieser Massnahmen kann auch die Wärmeabgabe an den kühl zu haltenden Oberflächenteilen der
Schmelze höher gemacht werden als die Wärmeabgabe an den andern Teilen der Oberfläche der Schmel- ze, insbesondere durch einen auf die zu unterkühlenden Oberflächenteile der Schmelze gerichteten Gasstrom.
Eine besondere Schwierigkeit bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, den Keimling, an dem das Halbleitermaterial dendritisch anwachsen soll, in unterkühlte Teile einer
Schmelze einzubringen, ohne dass in der Schmelze beim Eintauchen des Keimlings. ein unkontrollierbares Wachstum von Dendriten beginnt. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wird zunächst die Schmelze durchgehend bis über die Schmelztemperatur erhitzt, danach der Keimling in die Schmelze eingetaucht und dann erst die an den Keimling angrenzenden Teile der Schmelze in der oben angegebenen Weise bis unter die Schmelztemperatur gekühlt. Es stellt sich zunächst, wie bekannt, ein Gleichgewichtszustand ein, bei dem vom Keimling kein Material mehr in die Schmelze eingeschmolzen und anderseits auch von der Schmelze kein Material an den Keimling ankristallisiert wird.
Sinkt dann die Temperatur der Schmelze in der Umgebung des Keimlings genügend stark unter die Schmelztemperatur, setzt das dendritische Anwachsen des Halbleitermaterials an den Keimling ein ; es würde aber schnell wieder aufhören, wenn der . Keimling nicht von der Schmelze hinweggezogen wird. Wird der Keimling aber entsprechend der Geschwindigkeit des dendritischen Anwachsens des Halbleitermaterials weggezogen, so wird das an den Keimling anwachsende Halbleitermaterial laufend aus der Schmelze entfernt. Um trotzdem das Wachstum aufrechtzuerhalten, wird gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung für entsprechenden Nachschub von-Halbleitermaterial zur Schmelze gesorgt.
Dieser Nachschub des Halbleitermaterials in die Schmelze erfolgt vorteilhaft in der an sich bei Zonenschmelzen bekannten Weise dadurch, dass von dem die Schmelze tragenden Halbleiterkörper fortlaufend entsprechende Mengen des Halbleitermaterials in die Schmelze eingeschmolzen werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Fig. l und 2 und der folgenden Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung hervor.
In Fig. l stellt 1 den aus Halbleitermaterial, vorzugsweise aus Silizium, bestehenden Trägerkörper dar, der z. B. stab- oder scheibenförmig ausgebildet sein kann. Ein Teil des Halbleitermaterials dieses Trägers 1 ist mittels einer Heizvorrichtung 4 geschmolzen und die so gebildete Schmelze 2 wird von den nicht geschmolzenen Teilen des Halbleiterkörpers 1 gehalten. Im Ausführungsbeispiel dient als Heizvorrichtung die Induktionsspule 4, die in an sich bekannter Weise längs des Halbleiter körpers l verstellbar ist.
Ferner ist eine Stützfeldspule 6 vorgesehen, die ebenso wie die Heizspule 4 längs des Halbleiterkörpers 1 von oben nach unten (s. Pfeil 61 verstellbar angeordnet ist ; mittels des von ihr erzeugten elektromagnetischen Stützfeldes wird die Schmelze mechanisch gestützt und ein Abtropfen erschwert. Die Anwendung derartiger elektromagnetischer Stützfelder zum Stützen einer tiegellos getragenen Schmelze sind bereits an sich bekannt. Der Halbleiterkörper 1 ist von einem Kühlrohr 7 umgeben, das ebenfalls (s. den Pfeil 7') relativ zum Träger l verstellt werden kann und durch Einstellung seiner Lage das Schmelzen des Materials des Trägers 1 zu regeln gestattet.
Oberhalb der Schmelze ist ein Kurzschlussring 5 vorgesehen. der den aus der Schmelze fortlaufend herausgezogenen, dendritisch gewachsenen Halbleiterkörper 3'um- gibt und bei genügend enger Kopplung mit den oberen Teilen der Schmelze die von der Heizspule 4 erzeugten Induktionsströme in der Umgebung der Eintauchstelle des Halbleiterkörpers 3'in die Schmelze stark schwächt. Der dendritisch an den Keimkrista1l3 angewachsene Halbleiterteil 3'wird in Pfeilrichtung (s. den Pfeil 3") aus der Schmelze mittels der Transportvorrichtung 8,9 herausgezogen.
Die Lage der Heizspule 4, die (s. den Pfeil 4') nach oben und unten relativ zum Halbleiterträger 1 verstellt werden kann, wird zweckmässig so gewählt, dass sie im wesentlichen nur die äusseren Umfangsteile der Schmelze 2 in der Nähe der Grenzfläche zum Halbleiterkörper 1 erhitzt. Zusätzlich werden durch die Kurzschlussspule 5 die Induktionsströme in den oberen Teilen der Schmelze klein gehalten. Haben die oberen Teile 2'der Schmelze 2, in die der Halbleiterkörper 3'eintaucht, nur eine Temperatur unter der Schmelztemperatur des Halbleitermaterials, so wächst fortlaufend neues Halbleitermaterial an den Halbleiterkörper 3'an, das durch die Transportvorrichtung 8,9 fortlaufend aus der Schmelze herausgezogen wird.
Damit dieses fortlaufende Wachsen des Halbleiterkörpers 3'nicht aufhört, wird der Schmelze fortlaufend neues Halbleitermaterial zugeführt, vorzugsweise dadurch gewährleistet, dass die Heizvorrichtung 4 während des Herausziehens des Körpers 3'aus der Schmelze mit einer solchen Geschwindigkeit nach unten
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relativ zum Träger 1 verschoben wird, dass das auf diese Weise von dem Körper 1 in die Schmelze eingeschmolzene Material etwa gleich derjenigen Menge des Halbleitermaterials ist, das während seines dendritischen Wachstums aus der Schmelze herausgezogen wird. Zusammen mit der Spule 4 muss auch die Stützfeldspule 6 und der Kühlring 7 nach unten wandern ; auch die Kurzschlussspule 5 wird fortlaufend in etwa konstantem Abstand von der oberen Kuppe der Schmelze 2 gehalten.
Auf diese Weise bleiben die Temperaturverhältnisse innerhalb der Schmelze trotz des fortlaufenden Zuwachses neuen Halbleiterma- terials durch das Einschmelzen des Körpers 1 und trotz des fortlaufenden Herausziehens des dendritisch an
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der Schmelze bleiben unter dieser Schmelztemperatur.
Im Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Trägerkörper in der Halterung l'gelagert, die sich auf der Grundplatte 10 der Einrichtung befindet und, wenn gewünscht, in ihr nach oben verstellbar gehaltert ist. Die Wandung 11 des Gefässes, in dem die beschriebene Einrichtung angeordnet ist, ist oben durch die
Deckplatte 12 abgeschlossen. Das gesamte Gefäss 13 ist mit einem neutralen oder vorzugsweise reduzierenden Gas guter Wärmeleitfähigkeit, insbesondere mit Wasserstoff. gefüllt. Es empfiehlt sich, wie in Fig. 1 angegeben, das Wasserstoffgas H während des Ziehvorganges durch das Gefäss 13 hindurchströmen zu lassen, um auch auf diese Weise die Kühlung der Schmelze 2 so einzuregulieren, dass die geschilderte Temperaturverteilung in der Schmelze aufrechterhalten wird. Hiezu lässt man das Gas in das Gefäss 13 verhältnismässig kühl, z.
B. etwa nur mit Zimmertemperatur einströmen und stellt seine Strömungsgeschwin- digkeit auf den gewünschten Wert ein. Die Ein- und Ausströmungsöffnungen sind in Fig. 1 mit 13 und 14 bezeichnet. Die Deckplatte 12 besitzt ferner eine Durchschnittsöffnung 12'für den Keimkristall 3 bzw. den an den Keimkristall 3 angewachsenen dendritischen Halbleiterkörper 3'. Da der Querschnitt dieses dendritisch gewachsenen Halbleiter körpers 3'vorzugsweise wesentlich kleiner ist als der Querschnitt des Halbleiterkörpers l, kann auf diese Weise ein sehr langes Halbleiterband 3'aus dem relativ kurzen Gefäss 13 herausgezogen werden.
Dies wird noch dadurch begünstigt, dass ein genügend dünn hergestellter Halbleiterkörper 3'ausserhalb des Gefässes 13 auf einer Vorratsrolle aufgewickelt werden kann.
Statt der Verwendung einer Stützfeldspule 6 und eines zusätzlichen Kühlrohrs 7 kann, wie in Fig. 2 gezeigt, das vorzugsweise durch Wasser gekühlte Rohr 7 zugleich als Stützspule dienen, indem es von einem Wechselstrom geeigneter Frequenz zur Stützung der Schmelze durchflossen wird. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist also die mit 6,7 bezeichnete Spule so stark gekühlt, wie es zur Kühlung des Trägers 1 erforderlich ist ; sie wird zugleich vom Stützfeldwechselstrom durchflossen. In Fig. 2 ist ferner der Beginn des Verfahrens dargestellt, in dem noch kein Material an den in die Schmelze 2 eingetauchten Keimkristall 3 angewachsen ist.
Die vorzugsweise ebenfalls wassergekühlte Kurzschlussspule 5 befindet sich auch noch verhältnismässig weit von der oberen Kuppe der Schmelze 2 entfernt, da zu Beginn des Verfahrens, wie oben beschrieben, der Keimling 3 zunächst in eine durchgehend bis über die Schmelztemperatur erhitzte Schmelze eintauchen soll. Durch Annäherung der Spule 5 entsprechend dem Pfeil 5"an die Kuppe der Schmelze 2 wird dann die Temperatur des an den Keimling 3 angrenzenden Schmelzteiles 2'bis unter die Schmelztemperatur des Halbleitermaterials verringert.
Diese Verringerung der Temperatur kann noch unterstützt werden durch die relativ starke Kühlung des an diesem Teil vorbeistreichenden Wasserstoffgases in dem Gefäss 13 ; zusätzlich oder an Stelle dieser Massnahme kann schliesslich auch durch Anblasen od. dgl. das Gebiet der Schmelze 2 um die Eintauchstelle des Keimlings 3 herum bis auf die ge- wünschte emperatur gekühlt werden. Sobald die Temperatur genügend tief abgesenkt ist, beginnt das dendritische Anwachsen des Halbleitermaterials aus der Schmelze an den Keimling 3, der nunmehr entsprechend der Geschwindigkeit des Wachstums aus der Schmelze herausgezogen wird.
Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens sind möglich ; insbesondere kann z. B. auch der Halbleiterkörper 1 hängend an dem Gefäss angeordnet werden und die Schmelze an seinem unteren Ende hängen. Die Spulen 4, 5, 6, 7 sind, wie schon oben angegeben, relativ zum Körper 1 verschiebbar angeordnet ; es empfielt sich jedoch ausserdem, sie auch relativ zueinander verschiebbar zu halten.
Vor allem ist dies bezüglich der Heizspule 4 und der Kurzschlussspule 5 notwendig, wie dies in Fig. 2 gezeigt wurde, weil dann das Verfahren in besonders einfacher Weise eingeleitet werden kann. Die Stützfeldspule 6 bzw. das von ihr erzeugte Stützfeld ist auch nicht unbedingt erforderlich, sondern kann weggelassen werden. Wesentlich ist es jedoch, dass die Einstellung der Spule 4 die Regelung der von ihr in der Schmelze erzeugten Erhitzung sowie die Kühlung der Teile 2'der Schmelze 2, aus der der. Halbleiterkör- per 3'herausgezogen wird, sorgfältig während der Durchführung des Verfahrens geregelt wird.
Es kommt darauf an, dass nach Einleitung des Verfahrens die Temperatur der Schmelzteile 2'und 2"fortlaufend
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unterhalb bzw. oberhalb der Schmelztemperatur des Halbleitermaterials gehalten werden, dass gleichzeitig die Ziehgeschwindigkeit des Körpers 3'und die Wanderungsgeschwindigkeit der Heizspule 4 und der andern
Spulen 5, 6, 7 relativ zum Körper l den Temperatur Verhältnissen in der Schmelze 2 entsprechend gesteuert wird. Als Keimling 3 empfiehlt sich die Verwendung eines Einkristalls, dessen Achse 111 parallel zur Oberfläche der Schmelze an seiner Eintauchstelle liegt. Die Wandung 11 des Gefässes 13 besteht vorteil- haft aus Quarz und wird z.
B. durch Berieselung mit Wasser gut gekühlt, um auf diese Weise die zur Un- terkühlung der Teile 2'der Schmelze notwendige Wärmeabfuhr zu erleichtern.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Herstellen von langgestreckten, insbesondere bandförmigen Halbleiterkörpern, aus einer, bis unter den Schmelzpunkt unterkühlten Schmelze des Halbleitermaterials, wobei der dendritisch an einem Keimling anwachsende Halbleiterkörper aus der Schmelze gezogen wird, dadurch gekennzeich- net, dass eine Halbleiterschmelze (2) von einem, aus dem Halbleitermaterial der Schmelze bestehenden
Träger (1) gehalten und von einer Heizvorrichtung (4) im wesentlichen nur die dem Träger (1) benach- barten Teile (2") bis über die Schmelztemperatur erhitzt werden, während die Temperatur der an den
Keimling (3) angrenzenden Teile (2') der Schmelze, durch Verringerung der in diesen Schmelzteilen von der Heizvorrichtung in der Zeiteinheit erzeugten Wärmemenge z.
B. mittels eines Kurzschlussringes (5) eines kühlenden Gasstromes od. dgl., unter der Schmelztemperatur des Halbleitermaterials gehalten wird und dass der infolge der Unterkühlung dendritisch an den Keimling (3) anwachsende Halbleiterkörper aus dem unterkühlten Teil (2') der Schmelze gezogen wird.