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Verfahren zum Herstellen von bandförmigen Halbleiterkörpern
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von langgestreckten, insbesondere band- förmigen Halbleiterkorpern durchziehen aus einer Schmelze, bei dem eine Halbleiterschmelze von einem aus dem Halbleitermaterial der Schmelze bestehenden Träger gehalten und von einer Heizvorrichtung im wesentlichen nur der dem träger benachbarte Teil bis über die Schmelztemperatur erhitzt wird, während in dem an den Keimling angrenzenden Teil der Schmelze durch Verringerung der in der Zeiteinheit von
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Es ist das wesentliche Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass die von der Heizvorrichtung in der Zeiteinheit erzeugte Wärmemenge durch zusätzliche Mittel, z. B. durch ellipsenförmige Ausbildung des Kurzschlussringes, durch unterschiedliche Stärke des kühlenden Gasstromes od. dgl., an den Schmalseiten des Keimkristalls bzw. des bandformigen Halbleiterkorpers wesentlich geringer gehalten wird als an den Breitseiten. Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde :
Beim Ziehen von Dendriten aus einer z. B. in einem Tiegel befindlichen Schmelze erhält man die aus Fig. 1 ersichtliche Temperaturverteilung. In dieser Figur ist ein Schmelztiegel 1 im Querschnitt dargestellt. Die im Tiegel befindliche Schmelze 2 wird z.
B. induktiv auf eine Temperatur, die oberhalb der Schmelztemperatur liegt, erhitzt. Nach dem Eintauchen des Keimkristalls wird die Schmelze in der Umgebung des Keimkristalls, also in der mit 3 bezeichneten Zone, unterkühlt. Bei der in Fig. 1 dargestellten Temperaturverteilung in der Schmelze entsprechen also die mit 4,5 und 6 bezeichneten Isothermen
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kristall umgebenden Zone wächst festes Halbleitermaterial aus der Schmelze am Keimkristall an. Durch das Ankristallisieren des Halbleitermaterials wird die Kristallisationswärme frei.
InFig. 2 sind die Isothermen der Schmelze im Tiegel und die. J. jrch die freiwerdende Kristallisationswärme bedingten Isothermen 10 und 11, die den wenigstens zwei Zwillingsebenen 8 und 9 aufweisenden Keimkristall 7 umgeben, dargestellt. Die Unterkühlung und die freiwerdende Kristallisationswärme setzen sich ins Gleichgewicht, und es ergibt sich dadurch in der Umgebung des Keimkristalls die in Fig. 3 dargestellte, zu den Breitseiten des Keimkristalls symmetrische Temperaturverteilung. Die in dieser Figur dargestellten Isothermen entsprechen Temperaturen T, T,T und T, die nicht mit den in den Fig. 1 und 2
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H-Form aufweist. Die mit 12 und 13 bezeichneten Zwischenräume werden nachträglich während des Ziehens aufgefüllt.
Für diesen nachträglichen, langsamer erfolgenden Einbau von Halbleitermaterial in die Zwischenräume ist aber der Segregationskoeffizient der in der Schmelze enthaltenen Verunreinigungen ein anderer als für den zuerst gewachsenen ,einen H -förmigen Querschnitt aufweisenden Dendriten. Es ent-
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stehen somit pn-Übergänge, die sich vor allem deshalb, weil sie nicht reproduzierbar sind, nachteilig aus- wirken. Durch das durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagene Verfahren soll diese Wachsrull1sform, welche hauptsächlich durch thermische Gesichtspunkte zustande kommt, da für das schnelle Dendriten- wachstum die Abweichung vom thermischen Gleichgewicht wesentlich ist, vermieden werden.
Dies ist besonders einfach bei dem im Stammpatent beschriebenen tiegelfreien Dendritenziehen durchzuführen, da bei diesem Verfahren die Unterkühlung der Schmelze von aussen her vorgenommen werden kann.
In Fig. 5 ist die Temperaturverteilung dargestellt, die eine Schmelze, die von einem festenHalb- leiterkörper getragen wird, beim im Stammpatent beschriebenen Verfahren aufweist. Die Fig. 5 stellt da- bei einen Querschnitt durch dieSchme]zzone dar. Die Isothermen 14, 15 und 16 entsprechenden Tempera- ) turenT, T und T. wobei T eineTemperatur ist, die unterhalb der Schmelztemperatur des Halbleiter- materials liegt und für die Temperaturen die Bedingung T < T < T gilt.
In Fig. 6 ist die Temperaturverteilung in einem vertikalen Schnitt durch die Schmelze 18 und den die
Schmelze tragenden Halbleiterkörper 17 dargestellt. Die Temperatur der Schmelze in der Nähe der mit
19 bezeichneten Grenze flüssig-fest wird dabei mittels einer Heizvorrichtung. z. B. mittels einer nicht dargestellten Induktionsspule, analog dem im Stammpatent beschriebenen Verfahren über dem Schmelzpunkt des Halbleitermaterials gehalten, so dass durch Nachführen des Trägerkörpers 17 während des Dendriten- ziehens ständig neues Material aufgeschmolzen wird. Der ganze obere Teil der Schmelzkuppe ist unter- kühlt und weist die dargestellte Temperaturverteilung auf, für die wieder gilt T1 < T < T und die weitere
Bedingung T kleiner als der Schmelzpunkt des Halbleitermaterials.
Taucht man in einen solchen unter- kühlten Tropfen in der Mitte einen dendritischen Keimkristall ein, so wächst er rasch weiter. Die frei- werdende Schmelzwärme bedingt den Aufbau einer Temperaturverteilung, der durch die Isothermen 21 und 22 gekennzeichnet ist und die sich mit der in der Schmelze vor dem Ankristallisieren vorhandenen
Temperaturverteilung ins Gleichgewicht setzt. Wie aus dieser Figur ersichtlich, kann die Schmelzwärme an den mit 23 und 24 bezeichneten Schmalseiten des dendritischen Kristalls rascher an die Oberfläche der
Schmelze abgeführt werden als von den Breitseiten, wodurch die bereits vorhandenen Temperaturgra- dienten noch erhöht werden.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung des im Stammpatent beschriebenen Verfahrens wird durch eine zusätzliche Verminderung der von der Heizvorrichtunginder Zeiteinheit erzeugten Wärme an denSchmal- seiten des dendritischen Kristalls eine weitere Erhöhung desTemperaturgradientensenkrechtzudenSchmal- seiten erzeugt und dadurch die beim Anwachsen des Halbleitermaterials an den Keimkristall während des
Ziehens freiwerdende Schmelzwärme an den Kanten (Schmalseite) besonders rasch zur Oberfläche der
Schmelze abgeführt, so dass besonders günstige Verhältnisse für ein dendritisches Wachstum erzielt werden.
In Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung dargestellt.
Der als Träger für die Schmelze 18 dienende Halbleiterkörper 17 ist in Richtung des Pfeiles 30 beweglich angeordnet. Mittels der Induktionsspule 28 wird die Schmelze in der Nähe der mit 19 bezeichneten Grenze flüssig-fest über die Schmelztemperatur des Halbleitermaterials erhitzt. Während des Ziehens des band- förmigen Halbleiterkörpers 25 in Richtung des Pfeiles 29 strömt ein Kühlgas aus Düsen, die ringförmig um dem oberen Teil der Schmelzzone angeordnet und von denen zwei dargestellt und mit 26 und 27 bezeichnet sind, auf die Schmelzzone.
Ein besonders steiler Temperaturgradient senkrecht zu den Schmalseiten des Keimkristalls bzw. des an diesem anwachsendenDendritenbandes kann auf sehr einfache Weise dadurch erzielt werden, dass man die
Düsen an den Schmalseiten mit einer grösseren Austrittsöffnung versieht als die, die an den Breitseiten des Dendritenbandes angeordnet sind.
Die Unterkühlung des dem Keimkristall benachbarten Teils der Schmelze kann auch dadurch erzielt werden, dass der Halbleiterkörper in einem von einem inerten Gas, das eine grosse Wärmeleitfähigkeit aufweist, durchströmten Reaktionsgefäss angeordnet ist. Dabei ist es gegebenenfalls günstig, über der zum
Aufschmelzen des Halbleitermaterials des Trägerkörpers 17 dienenden Heizvorrichtung. also z. B. der Induk- tionsspule 18, noch, wie in Fig. 10 dargestellt, eine Kühlschlange 31 anzuordnen. Die Erhöhung des Tem- peraturgradienten an denSchmalseiten kann dann mittels einer Anordnung gemäss Figs 12 erreicht werden.
In dieser Figur ist die Schmelze 18 von oben gesehen dargestellt. Zwei Düsen werden oberhalb der Induk- tionsspule 28 möglichst nahe an die Schmalseiten 23 und 24 des Keimkristalls bzw. des bandförmigen
Halbleiterkörpers hingeführt und damit eine zusätzliche Kühlung dieser Schmalseite, die stärker als die an den Breitseiten ist, hervorgerufen und dadurch der bereits vorhandene Temperaturgradient noch erhöht.
Gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein besonders steiler Temperatur- gradient senkrecht zur Schmalseite des Keimkristalls bzw. des an diesen anwachsenden Dendriten auch durch eine besondere Ausbildung des gemäss dem im Stammpatent beschriebenen Verfahren oberhalb der
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Induktionsspule angeordneten Kurzschlussringes erzeugt werden, der, wie im Stammpatent näher erläutert wird, zu einer Schwächung des Feldes der Induktionsspule in den oberen Teilen der Schmelze führt. Dieser Kurzschlussring ist beim Verfahren gemäss der Erfindung vorteilhafterweise ellipsenförmig ausgebildet und in der in Fig. l1 dargestellten Weise angeordnet. In dieser Figur ist die Schmelze 18 von oben gesehen dar- gestellt.
Durch dieseForm und Anordnung des Kurzschlussringes wird erreicht, dass das Feld der in der Figur nicht dargestellten Induktionsspule 28 an den mit 23 und 24 bezeichneten Schmalseiten des Keimkristalls 7 bzw. des an den Keimkristall anwachsenden Dendritenbandes wesentlich stärker geschwächt wird als an den Breitseiten. Dieser Effekt wird durch eine Kühlung des Kurzschlussringes noch weiter begünstigt. Es ist daher besonders vorteilhaft, wenn der Kurzschlussring 32 z. B. mit Wasser gekühlt wird.
Der nach dem Verfahren gemäss der Erfindung gezogene bandförmige Halbleiterkörper weist den in Fig. 8 dargestellten Querschnitt auf.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Herstellen von langgestreckten, insbesondere bandförmigen Halbleiterkörpern durch Ziehen aus einer Schmelze, bei dem eine Halbleiterschmelze von einem aus dem Halbleitermaterial der Schmelze bestehenden Träger gehalten und von einer Heizvorrichtung im wesentlichen nur der dem Träger benachbarte Teil bis über die Schmelztemperatur erhitzt wird, während in dem an den Keimling angrenzenden Teil der Schmelze durch Verringerung der in der Zeiteinheit von der Heizvorrichtung erzeugten Wärmemenge, z.
B. mittels eines über der Schmelze angeordneten Kurzschlussringes, eines kühlenden Gases od. dgl. unter der Schmelztemperatur des Halbleitermaterials gehalten wird, nach Patent Nr. 226782, dadurch gekennzeichnet, dass die von derHeizvorrichtung in der Zeiteinheit erzeugte Wärme-
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Mittel, z. B.unterschiedliche Stärke des kühlenden Gasstromes od. dgl., an den Schmalseiten (23, 24) des Keimkristalls (7) bzw. des bandförmigenHalbleiterkörpers (25) wesentlich geringer gehalten wird als an den Breitseiten.