<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zum Züchten von Einkristallen aus der Schmelze eines Stoffes, der im kubischen Diamantgitter kristallisiert
EMI1.1
<Desc/Clms Page number 2>
werden stabförmige Körper gewonnen, welche entweder eine völlig unregelmässige, z. B. mit Wülsten versehene Form aufweisen, oder die z. B. beim tiegelfreien Zonenschmelzen vermittels einer Regelung auf gleichmässigenQuerschnitt gebracht werden, wobei meistens mit Hilfe einer Drehung der einen Stab- halterung bzw. beider Stabhalterungen in gegenläufigem Sinne eine kreisrunde Querschnittsform erzielt wird.
Es zeigte sichnun, dass dieser kreisrunde Querschnitt, der aus bestimmten Gründen sehr erwünscht ist - z. B. wird die Stabilität der Schmelzzone durch einen runden Querschnitt seht gefördert-auch gewisse
Nachteile aufweist. Beispielsweise zeigen Querschliffe solcher Stäbe, deren Symmetrieachse eine [111]-
Achse ist, am Rand des Schliffes drei symmetrisch zueinander versetzte versetzungsreichere Gebiete. Es scheint, dass der Zwang, der auf das Kristallwachstum in Richtung der Symmetrie des Kreises ausgeübt wird, und der dem Bestreben des Kristalles, in Form von Tetraedern oder Oktaedern aufzuwachsen, wi- derstrebt, diese Versetzungen zur Folge hat. Die Erfindung sucht diesen Nachteil zu vermeiden und dem aufwachsenden Kristall die ihm gemässen Aufwachsbedingungen zu schaffen.
Dies geschieht dadurch, dass die Schmelze in solcher Weise verformt wird, dass ihr Querschnitt der Projektion eines Tetraeders oder Oktaeders angenähert wird. Hiedurch erhält auch das aufwachsende, aus der Schmelze wieder er- starrende Material einen der Projektion eines Tetraeders angenäherten Querschnitt. Derartig aufgewach- sene Kristalle sind versetzungsärmer als andere Kristalle, welche ohne eine solche Verformung der
Schmelzzone aufwachsen.
Bei der Herstellung von Einkristallstäben, deren Symmetrieachse eine [111]-Achse ist, muss die
Schmelze in der Weise verformt werden, dass ihr Querschnitt einem gleichseitigen Dreieck angenähert wird. Beim Aufwachsen von Einkristallstäben, deren Symmetrieachse einer andern Kristallachse entspricht, muss eine entsprechende andere Verformung des Querschnittes der Schmelze bewirkt werden, z. B. bei einer [100J -Achse eine Annäherung an ein Quadrat und bei einer [110]-Achse eine Annäherung an einen Rhombus.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung dargestellt, aus denen weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung hervorgehen.
Die Ausführungsbeispiele sind mit Bezug auf das tiegelfreie Zonenschmelzen dargestellt. Das erfindungsgemässe Verfahren kann aber auch beim Ziehen aus der Schmelze durchgeführt werden. In diesem Falle ist nicht der Querschnitt der Schmelzzone, sondern der Querschnitt der Schmelze an der Erstarrungsfront in der Nähe des aufwachsenden Einkristalles in der angegebenen Weise zu beeinflussen. Beim Ziehen aus der Schmelze wird durch die Benetzung ein geringer Teil der z. B. in einem Tiegel befindlichen Masse der Schmelze durch den eingetauchten Einkristall angehoben und kann in der erfindungsgemässen Weise verformt werden.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Einrichtung zur Beeinflussung der Querschnittsform der Schmelzzone durch Gasstrahlen in der Seitenansicht. Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch Fig. 1. In Fig. 3 ist eine Vorrichtung zur elektrostatischen Beeinflussung der Querschniftsform der Schmelzzone dargestellt. Fig. 4 stellt eine Einrichtung zur elektromagnetischen Beeinflussung der Schmelzzone dar. In Fig. 5 ist eine Flachspule mit einem Dreieck angenähertem Querschnitt in der Aufsicht dargestellt, in Fig. 6 eine Spule mit einer Windung in Form eines Quadrates.
Die Beheizung der Schmelzzone kann an sich in beliebiger Weise erfolgen, z. B. durch Strahlungswärme bzw. durch induktive Erhitzung. In Fig. 1 befindet sich zwischen dem unteren Teil 2 eines stabförmigen Körpers und seinem oberen Teil 3 die Schmelzzone 4, welche mit Hilfe einer Flachspule 5 beheizt wird. Das Zonenschmelzen kann in bekannter Weise innerhalb eines geschlossenen Gefässes durchgeführt werden. Dieses Gefäss und die Halterungen des Stabes sind der Einfachheit halber fortgelassen worden. Sie können in aus der Literatur bekannter Weise aufgebaut sein.
Mit Hilfe von drei an der Spitze düsenförmig gestalteten Blasrohren 6 werden auf die Schmelzzone 4 drei Gasstrahlen geblasen, welche die Schmelzzone in der Weise verformen, dass ihr Querschnitt einem gleichseitigen Dreieck angenähert wird. Vorteilhaft wird das auf die Schmelzzone geblasene Gas vorher stark erwärmt, damit eine Kühlung der Schmelzzone vermieden wird. Das verwendete Gas muss den wei- teren0 Anforderungen des Verfahrens genügen, beispielsweise darf es bei Anwendung des Verfahrens auf Halbleitermaterialien keinerlei Verunreinigungen mit sich führen, die in das Halbleitermaterial eingebaut werden könnten. Vorzugsweise finden die bekannten Edelgas, wie Argon oder Helium, Verwendung.
In Fig. 3 ist eine Vorrichtung zur elektrostatischen Beeinflussung der Schmelzzone dargestellt. Drei plattenförmige Elektroden 11 sind mit dem einen Pol einer Hochspannungsquelle 12 verbunden, welche beispielsweise eine Gleichspannung von 10 kV besitzt. Sie umgeben in symmetrischer Verteilung den
<Desc/Clms Page number 3>
Halbleiterstab 13, welcher beispielsweise über eine Halterung bzw. beide Halterungen mit dem andern
Pol der Hochspannungsquelle 12 verbunden ist. Bei einem Abstand der Elektroden von der Schmelzzone von etwa 2 mm beträgt die auf die Schmelzzone ausgeübte Kraft etwa 10 g. Die elektrostatisch ausge- übte Kraft bewirkt Ausbauchungen der Schmelzzone in Richtung zu den Elektroden 11 hin. Es muss hiebei darauf geachtet werden, dass diese Ausbauchungen nicht zu gross werden, da sonst eine Zerstörung der Schmelzzone vorkommen kann.
Da die elektrostatisch ausgeübte Kraft mit der Abnahme des Abstandes wächst, könnte in diesem Falle diese Kraft die zusammenhaltende Wirkung der Oberflächenkräfte der
Schmelzzone aufheben und zu einem Aufreissen der Schmelzzone führen. Bei der elektrostatischen Be- einflussung derSchmelzzone kann das tiegelfreiezonenschmelzen nicht nur unter Schutzgas sondern auch im Hochvakuum durchgeführt werden.
Besonders günstig ist die elektromagnetische Beeinflussung der Querschnittsform der Schmelzzone, da sie beispielsweise unter Verwendung der bereits für die Beheizung der Schmelzzone vorhandenen Induktionsspule durchgeführt werden kann. Fig. 4 zeigt eine derartige Vorrichtung. Die Schmelzzone 21 ist von einer Induktionsspule 22 umgeben, welche zur Beheizung der Schmelzzone dient. Eine Kapazität 23 ist der Heizspule parallelgeschaltet und bildet mit dieser einen Resonanzkreis, welcher auf die Frequenz des Heizgenerators abgestimmt ist. Es zeigt sich, dass die Heizwirkung bei höheren Frequenzen mehr in den Vordergrund tritt, während bei niedrigeren Frequenzen die elektromagnetisch ausgeübte Kraft auf die Schmelzzone grösser wird.
Es besteht nun die Möglichkeit, entweder einen Kompromiss zwischen diesen beiden gegensätzlichen Forderungen zu schliessen und die Heizspule beispielsweise mit einer Frequenz von etwa 500 kHz zu speisen. Zweckmässig werden beide Wirkungen voneinander getrennt und, wie in Fig. 4 dargestellt, eine Speisung der Induktionsspule mit einer Frequenz von 4 MHz vorgenommen, welche der Heizwirkung déni, soie eine zweite Speisung mit einer Frequenz von 10 kHz vorgenommen, welche die notwendige Kraft auf die Schmelzzone ausübt. Eine kleine Drossel 24 dient als Tiefpass, welcher die Frequenz von 4 MHz von der 10 kHz-Stromquelle fernhält. Dieser Tiefpass kann auch beispielsweise als Serienresonanzkreis aufgebaut sein. Man kann auch Heiz-und Verformungsspule völlig elektrisch und mechanisch voneinander trennen.
Die Induktionsspule 22 kann beispielsweise als Zylinderspule oder auch als Flachspule, wie in Fig. 1 dargestellt, aufgebaut sein. Ihr Querschnitt senkrecht zur Richtung der Stabachse muss in geeigneter Weise deformiert sein, beispielsweise zu einem dreieckigen Querschnitt, wenn die Stabachse mit der [ 111] - Achse des Einkristalles zusammenfallen soll bzw. zu einem Quadrat, wenn die Stabachse mit der [100] - Achse des Einkristalles zusammenfallen soll. Die Zylinderspule zeigt also nicht, wie man das von einer Zylinderspule fordern sollte, einen kreisförmigen, sondern einen in der angegebenen Weise deformierten Querschnitt. DieSpiralform einer Flachspule muss ebenfalls in der angegebenen Weise abgeändert werden, z. B. gemäss Fig. 5 oder 6.
Derartige Induktionsspulen können beispielsweise aus aussen versilberten Kupferrohren hergestellt werden, durch welche ein flüssiges bzw. gasförmiges Kühlmittel während der Durchführung des Zonenschmelzens hindurchfliesst. Die zweckentsprechende Deformation des Querschnittes kann leicht nach der Herstellung einer zunächst normal gewickelten Zylinder- bzw. Spiralspule vermittels mechanischer Kraft bewirkt werden.
Zweckmässig wird das erfindungsgemässeverfahren bei jedem Durchgang der Schmelzzone angewendet, wenn in bekannterweise dieSchmelzzone mehrfach über die gesamte Stablänge geführt wird. Gegebenenfalls kann es aber auch ausreichen, wenn lediglich beim letzten Zonendurchgang eine derartige Verformung des Querschnittes der Schmelzzone durchgeführt wird. Gegebenenfalls lassen sich die beschriebenen Verfahren zur Verformung des Querschnittes der Schmelzzone miteinander kombinieren.
Selbstverständlich lässt sich das erfindungsgemässe Verfahren auf alle durch Schmelzen und Erstarren zu gewinnenden Einkristalle anwenden und ist nicht auf Stoffe, die im kubischen Kristallgitter kristallisieren, beschränkt. Beispielsweise können für hexagonal kristallisierende Körper mit Längsachse C (0001) Verformungen des Querschnittes der Schmelze bzw. Schmelzzone zu einem regelmässigen Sechseck durchgeführt werden, z. B. bei Zink oder Kadmium. Bei Stoffen, die kubisch raumzentriert kristallisieren, ist eine Verformung der Schmelze in solcher Weise vorzunehmen, dass ihr Querschnitt einem Dreieck bzw. Rechteck ähnlich wird. Hier seien die Alkalihalogenide höheren Molekulargewichtes, z. B. Kaliumchlorid sowie z. B. Wolfram, genannt.
Allgemein gilt, dass die geometrische Zähligkeit des Querschnittes der Schmelze senkrecht zur Wachstumsrichtung der kristallographischen Zähligkeit des behandelten Stoffes in Wachstumsrichtung entsprechen muss.
Das Einkristallzüchten nach dem erfindungsgemässen Verfahren kann in an sich bekannter Weise mit Hilfe von angeschmolzenenKeimkristallen vorgenommen werden. Derartige Keimkristalle müssen natur-
<Desc/Clms Page number 4>
lich in passender Weise an den zu behandelnden Körper angesetzt werden. Wenn sie nach dem erfindungs- gemässen Verfahren gewonnen werden, weisen sie bereits die geforderte Verformung des Querschnittes auf.
Hier genügt es, sie in solcher Lage in die Einrichtung einzusetzen, dass ihr Querschnitt mit den zur Beeinflussung des Querschnittes der Schmelze vorgesehenen Mitteln harmoniert.
Falls keine solchen Keimkristalle zur Verfügung stehen, können auch nach andern Verfahren gewon- neneEinkristalle für diesen Zweck verwendet werden. Z. B. weisen Siliciumeinkristalle, die durch tiegelfreies Zonenschmelzen gewonnen werden und deren Stabachse einef 111] -Achse ist, auf ihren Oberflächen drei Wachstumsnähte auf. Diese Nähte liegen auf den Seitenmitten des zu fordernden dreieckigen Querschnittes der Schmelze.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Züchten von Einkristallen aus der Schmelze eines Stoffes, der im kubischen Diamantgitter kristallisiert, insbesondere Germanium oder Silicium, durch Abkühlung mit wandernder Erstarrungsfront, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Schmelze, zumindest im Bereich der Erstarrungsfront derart verformt wird, dass er einem gleichseitigenDreieck oder einem Quadrat oder einem Rhombus gleicht.