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- Verfahren zum tiegellosen Ziehen von einkristallinen Halbleiterstäben
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum tiegellosen Ziehen von einkristallinen Halbleiterstäben, bei dem als Ausgangskörper ein an seinen Enden gehalterter Stab dient, in dem durch induktive Erhitzung mittels einer Hochfrequenzspule eine geschmolzene Zone erzeugt wird und dessen Stabenden mit einer solchen Geschwindigkeit auseinanderbewegt werden, dass die Dicke des Ausgangskörpers verringert wird.
Dieses Verfahren ist besonders bei der Herstellung von dünnen Halbleiterstäben, wie sie als Seelen beim Aufwachsen von Halbleitermaterial aus der Gasphase als Träger Verwendung finden, von Bedeutung.
Ausserdem können die dünnen Halbleiterstäbe auch ohne weitere Vorbehandlung durch Ätzen oder sonstige mechanische Bearbeitung in die für Halbleiteranordnungen verwendeten Halbleiterscheiben aufgeteilt und durch entsprechende Legierungs- oder Diffusionsverfahren direkt zu Transistoren, Dioden od. ähnl.
Halbleiterbauelementen weiterverarbeitet werden.
Bei diesem Verfahren ist es wesentlich, dass der gezogene Dünnstab einen gewünschten, insbesondere über seine ganze Länge konstanten Durchmesser aufweist. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Dünnziehverfahren zu automatisieren, um besonders eine grosse Betriebssicherheit und einen gleichmässigen Durchmesser des Dünnstabes zu gewährleisten.
Beim Dünnziehverfahren wird in einem relativ dicken Halbleiterstab eine Zone aufgeschmolzen und dann die beiden gehalterten Enden auseinandergezogen.
In Fig. 1 ist ein Teil des Halbleiterstabes dargestellt. Der Dickstab 1 weist eine Dicke D, die gleich der des Ausgangskörpers ist, auf. Aus der durch die Hochfrequenzspule 8 aufgeschmolzenen Zone 2 wird, wenn die Geschwindigkeit Vomit der das obere Stabende in Richtung des Pfeiles 4 relativ zur Spule 8 bewegt wird, grösser ist als die Vorschubgeschwindigkeit vs des Dickstabes, relativ zur Spule 8 ein Stab gezogen, dessen Durchmesser d geringer als der des Ausgangskörpers ist. Durch Wahl des Geschwindigkeitsverhältnisses Vs : vomit der die beiden Enden des Ausgangskörpers in Richtung der Pfeile 4 bzw. 5 bewegt werden, ist die Dicke d des Dünnstabes 3 bestimmt. Mit 6 ist die Grenze Schmelzzone-Dünnstab und mit 7 die Grenze Dickstab-Schmelzzone bezeichnet.
Um den Durchmesser des Dünnstabes während des ganzen Verfahrens auf einem gewünschten Wert zu halten, insbesondere um dünne Stäbe mit einem über ihre ganze Länge gleichbleibenden Durchmesser herzustellen, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, durch den von einer Hochfrequenzstromquelle in die die geschmolzene Zone umgebende Spule eingespeisten Strom, der sich durch die während des Ziehens erfolgende Änderung des Volumens und der Oberflächenform der geschmolzenen Zone ebenfalls ändert, über eine Regelvorrichtung die Vorschubgeschwindigkeit mit der der Dickstab fortlaufend in die Hochfrequenzspule nachgeführt wird, geändert wird, bis der Strom in der Hochfrequenzspule wieder den gewünschten Wert hat.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass der Durchmesser, mit dem der Dünnstab erstarrt, vom Winkel, den die Oberfläche der geschmolzenen Zone an der Grenze Zone-Dünnstab, also vom Winkel, den die Tangente an die Schmelzzonenoberfläche an dieser Stelle mit der Ziehrichtung bildet, abhängt.
Dieser Winkel hängt in erster Näherung nur von einer Grösse ab, die als Zonenfülligkeit bezeichnet werden soll und wie folgt erklärt wird :
Zwei schmelz flüssige Körper des gleichen Materials, die mittels einer Anordnung nach Fig. 2-einem Parallelresonanzkreis, gebildet aus der Induktionsspule 26 und ihrer Parallelkapazität 25 und dem speisenden HF-Generator 20-zum Schmelzen gebracht werden können, haben dann die gleiche Zonnenfülligkeit, wenn die Verschiebungen der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 25/26 beim Einbringen dieser Körper in die Spule 26 und Aufschmelzen gleich gross sind. Die genannte Verschiebung der Resonanzfrequenz stellt also ein Mass für die Zonenfülligkeit dar.
Die Zonenfülligkeit ist bei vorgegebenem Schmelzmaterial und vorgegebenen elektrischen Daten der Schmelzanordnung (Fig. 2) eine Funktion der Geometrie des Systems Spule/Schmelzling.
Beim erfindungsgemässen Verfahren wird diese Zonenfülligkeit durch Änderung der Vorschubgeschwindigkeit V2 des Dickstabes bei konstant gehaltener Geschwindigkeit v des Dünnstabes so geregelt, dass ein Dünnstab mit definiertem, insbesondere über seine ganze Länge konstantem Durchmesser erstarrt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird zusätzlich zur Regelung der Zonen- fülligkeit der Durchmesser des Dünnstabes durch Änderung der Ziehgeschwindigkeit v geregelt. Diese weitere Ausgestaltung des Verfahrens empfiehlt sich vor allem dann, wenn die geforderte Durchmesser- konstanz des entstehenden Dünnstabes extrem gross sein soll.
Eine nähere Erläuterung dr Erfindung wird im folgenden durch die Beschreibung einiger besonders günstiger Ausführungsbeispiele gegeben.
In Fig. 2 ist der an seinen beiden Enden mit Halterungen 15 und 16 versehene, in einem nichtdargestellten
Reaktionsgefäss angeordnete Halbleiterkörper dargestellt. Dieser besteht zu Beginn des Verfahrens aus einem Ausgangskörper einer Dicke D. Durch eine Hochfrequenzspule 26 wird eine Zone 2 des Stabes aufgeschmolzen und die Halterungen der Stabenden 15 und 16 in Richtung der Pfeile 4 und 5 mit einem solchen Verhältnis von v, : v, relativ zur Spule 26 bewegt, dass ein Stab mit einem Durchmesser d aus der
Schmelze der Zone 2 erstarrt. Um diesen Durchmesser d während des ganzen Verfahrens auf einem ge- wünschten, insbesondere konstanten Wert zu halten, wird die Zonenfülligkeit der Schmelzzone 2 durch Änderung der Vorschubgeschwindigkeit v 2 des Dickstabes 1 geregelt. Zur Regelung kann dabei z.
B. das
Prinzip des in der österr. Patentschrift Nr. 215481 vorgeschlagenen Verfahrens dienen. Durch den von einer Hochfrequenzquelle, in die die geschmolzene Zone umgebende Spule eingespeisten Strom, der sich bei Änderung der Zonenfülligkeit der geschmolzenen Zone ebenfalls ändert, wird über eine Regelvorrichtung die Vorschubgeschwindigkeit V2 des Dickstabes geändert, bis der Strom in der Hochfrequenzspule wieder den gewünschten Wert hat.
Der durch die Hochfrequenzspule 26, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel gleichzeitig als Heizspule dient, fliessende Stroma induziert in der geschmolzenen Zone eine Spannung, die einen Strom hervorruft, dessen Magnetfeld dem von der Spule 26 erzeugten entgegenwirkt. Man kann also das System Spule-Zone als gekoppelte Spulen betrachten. Der in der Spule 26 fliessende Strom ist von der Zonenfülligkeit der
Schmelzzone 2 abhängig. Ändert sich nämlich diese während des Ziehens, was-wie oben erläutert- eine Änderung des Dünnstabdurchmessers zur Folge hat, so ändert sich per definitionem auch die Resonanzfrequenz fr des aus der Induktionsspule 26 und der Kapazität 25 bestehenden in Fig. 2 dargestellten Parallelschwingkreises.
Diese geänderte Resonanzfrequenz ist in der die Arbeitsresonanzkurve darstellenden Fig. 5 mit fr'bezeichnet. Da nun dieser Schwingkreis lose ("unterkritisch") an den inneren Schwingkreis des die Spule speisenden HF-Generator 20 angekoppelt ist, bewirkt die Eigenfrequenzänderung f, (Fig. 5) des Schwingkreises 25/26 nur eine vernachlässigbare Änderung der Frequenz des vom Generator 20 abgegebenen Stromes und die Resonanzkurve des Kreises 25/26 verschiebt sich relativ zu der annähernd feststehenden Generatorfrequenz fo, was seinerseits eine Änderung des Stromes in der Induktionsspule26 um Az zur Folge hat. Hiefür ist wesentlich, dass der Arbeitspunkt auf einer, vorzugsweise auf der mit wachsender Frequenz ansteigenden Flanke der in Fig. 5 dargestellten Arbeitsresonanzkurve liegt.
Die Änderung des Spulenstromes J2 bewirkt eine Änderung des Anodengleichstromes des HF-Generators 20.
Der Anodenstrom wird einer Mischschaltung 2 zugeführt, z. B. einer Kompensationsschaltung und mit der Steuergrösse, die von einem Sollwertgeber 22, z. B. einer Batterie, ebenfalls der Mischschaltung zugeführt wird, verglichen. Durch die Abweichung vom Sollwert, die bei einer Änderung der Zonenfülligkeit auftritt, wird z. B. über einen Drei-Punkt-Regler 23 die Drehzahl eines Motors 24, der über ein Getriebe 19 das Zahnrad 18 in der Zahnstange 17 bewegt und damit die feste Vorschubgeschwindigkeit V2 des Dickstabes solange erhöht bzw. erniedrigt, bis der Generatoranodengleichstrom wieder den gewünschten, einem bestimmten Durchmesser d entsprechenden Wert hat.
Durch einen nichtdargestellten Motor und ein ebenfalls nicht dargestelltes Getriebe wird das in die Zahnstange 27 eingreifende Zahnrad 28 gedreht und die obere Halterung 16 mit der Geschwindigkeit Vi in Richtung des Pfeiles 4 bewegt. Beim Ausführungsbeispiel wurde aus einem aus Silizium bestehenden Stab von etwa 15 mm Durchmesser ein einkristallinem Dünnstab von 3 mm Dicke gezogen. Die Durchmesserschwankungen des Dünnstabes betragen im Mittel etwa 0, 1 mm.
Beim Verfahren gemäss der Erfindung kann die Regelung der Zonenfülligkeit durch Änderung der Vor-
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Gegebenenfalls kann auch noch ein Stützfeld vorgesehen sein, um das Volumen der aufgeschmolzenen Zone zu erhöhen. Die Anwendung eines Stützfeldes ist vor allem dann von Bedeutung, wenn der Dünnstab, nicht wie beim Ausführungsbeispiel nach oben, sondern nach unten gezogen wird.
Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung, die vor allem dann vorteilhaft ist, wenn sehr grosse Anforderungen an die Durchmesserkonstanz des Dünnstabes gestellt werden, wird die Dicke des aus der Schmelze gezogenen Dünnstabes zusätzlich noch durch Änderung der Ziehgeschwindigkeit vl geregelt.
In Fig. 3 ist ein Teil des Dickstabes 1, der über die geschmolzene Zone 2 mit dem Dünnstab 3 verbunden ist, dargestellt. Über die vorzugsweise gleichzeitig als Heizspule dienende Hochfrequenzspule 8 wird z. B., wie im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben, die Zonenfülligkeit über die Vorschubgeschwindigkeit V2 geregelt. Diese Regelung sorgt hier lediglich für die Konstanthaltung des Zonenvolumens. Über eine weitere Hochfrequenzspule 9, die etwa an der mit 6 bezeichneten Grenze Zone-Dünnstab angeordnet ist, wird ausserdem die Ziehgeschwindigkeit z auf einen dem gewünschten Durchmesser d entsprechenden Wert geregelt. Die Spule bildet bevorzugt mit dem oberen dünnen Teil der Schmelzzone wieder, wie oben beschrieben, ein gekoppeltes Spulensystem.
Der in die Spule 9 eingespeiste Strom, dessen Wert bei sich
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ändernder Form der Zone an ihrem oberen Rand, also auch bei sich änderndem Randwinkel ebenfalls geändert wird, wird zur Steuerung einer Einrichtung verwendet, die die Ziehgeschwindigkeit fi erhöht bzw. erniedrigt bis der Strom in der Hochfrequenzspule 9 wieder den gewünschten, einen bestimmten
Durchmesser d entsprechenden Wert hat. Es kann auch eine Bewegung des Dünnstabes in einer dem
Pfeil 4 entgegengesetzten Richtung, also ein Stauchen des Stabes erfolgen, wie dies bei dem in der österr.
Patentschrift Nr. 215481 beschriebenen Verfahren der Fall ist.
Die von dem die Hochfrequenzspule 9 speisenden
Hochfrequenzgenerator abgegebene Leistung ist so gering (einige Watt), dass die Energie der Hochfrequenz- spule 9 nicht zu einem Aufschmelzen des Halbleiterstabes führt. Ausserdem steht die Frequenz des durch die
Spule 9 fliessenden Stromes in keinem rationalen Verhältnis zu der Frequenz des durch die Spule 8 fliessenden
Stromes und ist vorzugsweise grösser als letztere. Die elektrische Anordnung der Spule 9 und des sie spei- senden Generators ist, wie bei dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Diese Anordnung bringt gegenüber der erstbeschriebenen deshalb eine grössere Regelgenauigkeit, weil hier durch die zweite Spule 9 hauptsächlich die Fülligkeit des oberen, für den Dünnstabdurchmesser massgeblichen Teils der Zone (Randwinkel) vom Messfühler des zweiten Regelkreises (Spule 9) erfasst und durch Ändern von Ci ausgeregelt wird, während bei der vorherigen Anordnung die Fülligkeit der gesamten Zone, von der der Randwinkel nur in erster Näherung abhängt, durch Ändern von V2 ausgeregeltwird.
Bei einem weiteren in Fig. 4 skizzierten Ausführungsbeispiel wird die Ziehgeschwindigkeit cl über die Kapazität eines aus einer etwa an der Grenze Zone-Dünnstab angeordneten Ringelektrode 14 und dem dieser gegenüberliegenden Teil des Halbleiterstabes gebildeten Kondensators verändert. Die Änderung des Dünnstabdurchmessers d bedingt eine Kapazitätsänderung, die z. B. einer selbstabgleichenden Kapazitätsmessbrücke 11 zugeführt wird. Über eine Regelvorrichtung wird die Ziehgeschwindigkeit Ci verändert, bis die Kapazität wieder den, einem gewünschten Durchmesser d entsprechenden Wert angenommen hat. 12 ist der Anschluss, zu der eine Kondensatorbelegung bildende Ringelektrode 14 und 13 der Anschluss zu dem die andere Belegung bildenden, von der Ringelektrode umgebenen Teil des Halbleiterstabes.
Die Nachschubgeschwindigkeit V2 des Dickstabes wird wiederum, wie vorher beschrieben, geregelt.
In analoger Weise kann ein derartiger kapazitiver Messfühler auch zur Regelung der Zonenfülligkeit durch Änderung der Vorschubgeschwindigkeit V2 des Dickstabes verwendet werden.
Das Verfahren gemäss der Erfindung kann auch mit Vorteil zur Herstellung dünner Einkristallstäbe aus anderem Material als Silizium, also z. B. zum Herstellen von Germaniumstäben, Ferriten usw. Anwendung finden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum tiegellosen Ziehen von einkristallinen Halbleiterstäben, bei dem als Ausgangskörper ein an seinen Enden gehalterter Stab dient, in dem durch induktive Erhitzung mittels einer Hochfrequenzspule eine geschmolzene Zone erzeugt wird und dessen Stabenden in der gleichen Richtung aber mit verschiedener Geschwindigkeit bewegt werden, so dass die Dicke des Ausgangskörpers verringert wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch den von einer Hochfrequenzstromquelle (20) in die die geschmolzene Zone umgebende Spule (8 bzw.
26) eingespeisten Strom, der sich durch die während des Ziehens erfolgende Änderung des Volumens und der Oberflächenform der geschmolzenen Zone (2) ebenfalls ändert, über eine Regelvorrichtung (23) die Vorschubgeschwindigkeit mit der der Dickstab (1) fortlaufend in die Hochfrequenzspule (8 bzw. 26) nachgeführt wird, geändert wird, bis der Strom in der Hochfrequenzspule wieder den gewünschten Wert hat.