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Verfahren zum Herstellen von stabförmigem, kristallinem
Halbleitermaterial durch Ziehen aus einer im Tiegel befindlichen Schmelze
Bei der Herstellung von Kristallen durch Ziehen aus der Schmelze ist es vor allem beim Tiegelziehen erfahrungsgemäss schwierig, den Durchmesser des Kristalls während des Ziehvorgangs zu bestimmen und darüber hinaus konstantzuhalten. Eine Übertragung der beim tiegellosen Ziehverfahren angewendeten Einrichtungen zur Durchmesserregelung, wie beispielsweise die induktive Abtastung durch die Heizspulen oder eine zusätzlich angeordnete Messspule oder die Verwendung optischer Abtasteinrichtungen istnicht ohne weiteres möglich, da es äusserst. schwierig ist, die Abtasteinrichtungen nahe genug an die Grenzschicht. flitssigfest heranzubringen.
Eine hauptsächliche Schwierigkeit liegt darin begründet, dass der Tiegel vor dem Einschmelzen mit stückigem festem Gut beschickt ist, so dass dieAbtasteinrichtung erst nach dem Einschmelzen an die Messstelle herangeführt werden müsste, was jedoch eine genaue Beobachtung des Heranführens erfordert. Diese Beobachtung wird jedoch durch den Tiegelrand und etwa vorhandene Abschirmeinrichtungen stark behindert.
Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass das Schmelzniveau im Tiegel nicht ohne weiteres konstantgehalten werden kann, Schwankungen des Niveaus lassen sich auch durch die Anbringung einer Regeleinrichtung nicht vermeiden.
Eine Möglichkeit, derartige Schwierigkeiten zu umgehen, bietet das Verfahren gemäss der Erfindung das zur Einstellung und Einhaltung eines bestimmten Stabdurchmessers während des Ziehvorgangs vorsieht, dass Gewicht und Ziehlänge und damit der dem Sollwert des Stabdurchmessers entsprechende Dif-
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zugsweise elektrischer. Regeleinrichtungen zur Steuerung des Ziehvorgangs, beispielsweise der Ziehgeschwindigkeit oder der Temperatur der Schmelze, herangezogen werden.'
Die Durchmesserbestimmung bzw. -regelung durch Bestimmung des Stabgewichts in Abhängigkeit von der Ziehlänge bzw. bei konstanter Ziehgeschwindigkeit von der Zeit ermöglicht es, die Messung mit Hilfe einer Abtasteinrichtung, die nicht in unmittelbarer Näher der Phasengrenze flüssigfest angebracht sein muss, durchzuführen.
Die Steuerung des Ziehvorgangs kann sowohl durch Regelung der Temperatur der Schmelze als auch durch Regelung der Ziehgeschwindigkeit erfolgen, wobei vor allem für die Herstellung gleichmässig dotierter Halbleiterkristalle der Ausführungsform des Verfahrens der Vorzug zu geben ist, bei der bei konstanter Ziehgeschwindigkeit die Temperatur der Schmelze veränderlich ist. Die aus der Änderung des Gewichtes resultierenden Messgrössen werden dabei mittels geeigneter Übertragungseinrichtungen zur Steuerung des Temperaturverlaufes verwendet. Zur Erzielung einer konstanten Ziehgeschwindigkeit kann beispielsweise ein synchronelektrischer Motor oder ein zentrifugalkraftgeregelter Motor verwendet werden.
Bei Durchführung des Verfahrens bei konstanter Temperatur der Schmelze werden in analoger Weise die aus der Gewichtsänderung des Kristalls resultierenden Messgrössen zur Regelung der Ziehgeschwindig-
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keit verwendet.
Die Bestimmung des Kristallgewichtes erfolgt günstigerweise mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen.
Dabei ist es vorteilhaft, mehrere Messstreifen anzuwenden, um Störungen, die durch Verbiegungen und Verformungen senkrecht zur Dehnungsrichtung auftreten, auszuschalten. Darüber hinaus erhält man durch Hintereinanderschalten mehrerer Messstreifen ein Mehrfaches der bei der Gewichtsänderung des Kristalls auftretenden geringen Widerstandsänderungen. Die mit Hilfe dieser Anordnung zu erreichende Genauigkeit ist sehr gut. So kann beispielsweise bei einem Kristalldurchmesser von 28, 0 mm noch eine Kristalldurchmesseränderung von 0,25 mm festgestellt werden.
An Stelle von Dehnungsmessstreifen können auch andere Kraftmesser, beispielsweise piezoelektrische verwendet werden. Ausserdem kann die Zunahme des Kristallgewichtes indirekt durch Messung der Abnahme des Tiegelgewichtes bestimmt werden.
Die Ausnutzung der durch die Änderung des Kristallgewichtes hervorgerufenen Widerstandsänderungen als Regelgrösse erfolgt zweckmässigerweise dadurch, dass der der Gewichtsänderung entsprechende Messwiderstand in einer Brückenschaltung mit einem sich kontinuierlich ändernden Vergleichswiderstand verglichen wird. Die auftretende Differenz wird zweckmässigerweise unter Verwendung eines Verstärkers zur Steuerung der Temperatur der'Schmelze oder der Ziehgeschwindigkeit verwendet.
In ähnlicher Weise ist es möglich, bei konstanter Ziehgeschwindigkeit den aus der Gewichtsänderung resultierenden Messstrom zur Aufladung. eines Kondensators zu verwenden, der periodisch entladen wird.
Die nach bestimmter Zeit entstandene Spannung wird mit einer gesteuerten Vergleichsspannung verglichen und die Differenz in den Temperaturregelkreis eingespeist. Weiterhin besteht die Möglichkeit, den
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kreises zu verwenden.
Darüber hinaus kann bei konstanter Temperatur der Schmelze die Ziehgeschwindigkeit gesteuert werden, indem die aus dem Vergleich des dem jeweiligen Kristallgewicht entsprechenden Stromes bzw. der entsprechenden Spannung mit einem abhängig vom Ziehweg ansteigenden Strom bzw. Spannung resultierende Strom- bzw. Spannungsdifferenz als Regelgrösse verwendet wird.
Nähere Einzelheiten der Erfindung sind der Beschreibung der Figuren zu entnehmen.
In Fig. 1 ist eine Tiegelziehanlage dargestellt. In einem evakuierbaren Ziehraum 10 befindet sich der Tiegel 1, der das geschmolzene Halbleitermaterial 2 enthält. Am oberen Ende des Ziehraums ist der Sturzen 5 angebracht, durch den die Halterungsvorrichtung 9 in den Ziehraum eingeführt wird. Zur Abdichtung dient die Dichtung 6. Der Kristall 3, der mittels einer Fassung 4 an der Halterungsvorrichtung befestigt ist, wird mit konstanter oder veränderlicher Geschwindigkeit aus der
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den. Die Dehnungsmessstreifen sind gegen die Erwärmung durch (nicht gezeichnete) gekühlte Abschir- mungen geschützt.
Die Fig. 2. zeigt in rein schematischer Darstellung eine besonders günstige Anordnung der Dehnungmessstreifen 7 auf der inneren Wandung eines dünnwandigen Rohres 8.
In Fig. 3 ist eine der Möglichkeiten beschrieben, die es gestatten, den Ziehvorgang mit Hilfe der Gewichständerung des Kristalls zu steuern. Der mit dem Kristallgewicht sich ändernde Messwiderstand RX wird in einer Brückenschaltung mit dem sich kontinuierlich bzw. mit dem Ziehvorgang mit entsprechend ändernden Widerstand R verglichen. R und R sind Widerstände bestimmter Grösse.
Die Pole 31 und 32 dienen als Netzanschlüsse, die Anschlüsse 33 und 34 zur Abnahme der Regelspannung, die zweckmässigerweise über einen Verstärker zur Steuerung des Temperaturverlaufes im Fall konstanter Ziehgeschwindigkeit oder der Ziehgeschwindigkeit bei konstanter Temperatur der Schmelze dient. Der zur Steuerung verwendete Regelkreis ist in der Figur nicht mehr dargestellt.
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Process for producing rod-shaped, crystalline
Semiconductor material by drawing from a melt in the crucible
When producing crystals by pulling them from the melt, experience shows that it is difficult to determine the diameter of the crystal during the pulling process and to keep it constant. A transfer of the devices used in the crucible-free drawing process for diameter control, such as inductive scanning by the heating coils or an additionally arranged measuring coil or the use of optical scanning devices, is not easily possible because it is extremely. it is difficult to get the scanners close enough to the boundary layer. bring liquid-proof.
One of the main difficulties lies in the fact that the crucible is filled with lumpy solid material before it is melted down, so that the scanning device would only have to be brought up to the measuring point after it has melted, which, however, requires precise observation of the approach. However, this observation is severely hindered by the crucible rim and any shielding devices that may be present.
Another difficulty is that the melt level in the crucible cannot easily be kept constant; fluctuations in the level cannot be avoided by installing a control device.
One possibility of avoiding such difficulties is offered by the method according to the invention which, in order to set and maintain a certain rod diameter during the drawing process, provides that the weight and drawing length and thus the difference corresponding to the target value of the rod diameter
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preferably electrical. Control devices for controlling the drawing process, for example the drawing speed or the temperature of the melt, are used.
Determining or regulating the diameter by determining the weight of the rod as a function of the drawing length or, at a constant drawing speed, over time enables the measurement to be carried out with the aid of a scanning device that does not have to be attached in the immediate vicinity of the phase boundary.
The pulling process can be controlled both by regulating the temperature of the melt and by regulating the pulling speed, with preference being given to the embodiment of the method in which the temperature of the melt is variable at a constant pulling speed, especially for the production of uniformly doped semiconductor crystals . The measured variables resulting from the change in weight are used by means of suitable transmission devices to control the temperature profile. For example, a synchronous electric motor or a centrifugal force-controlled motor can be used to achieve a constant drawing speed.
When the method is carried out at a constant temperature of the melt, the measured variables resulting from the change in weight of the crystal are used in an analogous manner to regulate the drawing speed.
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used.
The crystal weight is advantageously determined with the help of strain gauges.
It is advantageous to use several measuring strips in order to eliminate disturbances that occur due to bending and deformation perpendicular to the direction of elongation. In addition, by connecting several measuring strips one after the other, a multiple of the small changes in resistance that occur when the weight of the crystal changes. The accuracy that can be achieved using this arrangement is very good. For example, with a crystal diameter of 28.0 mm, a change in crystal diameter of 0.25 mm can still be determined.
Instead of strain gauges, other force gauges, for example piezoelectric ones, can also be used. In addition, the increase in the crystal weight can be determined indirectly by measuring the decrease in the crucible weight.
The changes in resistance caused by the change in crystal weight are expediently used as a controlled variable by comparing the measuring resistor corresponding to the change in weight in a bridge circuit with a continuously changing reference resistance. The difference that occurs is expediently used using an amplifier to control the temperature of the melt or the drawing speed.
In a similar way, it is possible to charge the measurement current resulting from the change in weight at a constant drawing speed. a capacitor that is periodically discharged.
The voltage that develops after a certain time is compared with a controlled comparison voltage and the difference is fed into the temperature control circuit. It is also possible to use the
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circle to use.
In addition, the pulling speed can be controlled at a constant temperature of the melt by using the current or voltage difference resulting from the comparison of the current or voltage corresponding to the respective crystal weight with a current or voltage increasing depending on the pulling path as a control variable.
Further details of the invention can be found in the description of the figures.
In Fig. 1 a crucible puller is shown. The crucible 1, which contains the molten semiconductor material 2, is located in an evacuable drawing space 10. At the upper end of the drawing space, the lintel 5 is attached, through which the holding device 9 is introduced into the drawing space. The seal 6 is used for sealing. The crystal 3, which is fastened to the holding device by means of a mount 4, is removed from the holding device at constant or variable speed
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the. The strain gauges are protected against warming by cooled shields (not shown).
FIG. 2 shows, in a purely schematic representation, a particularly favorable arrangement of the strain gauges 7 on the inner wall of a thin-walled tube 8.
In Fig. 3 one of the possibilities is described which allow the pulling process to be controlled with the aid of the weight change of the crystal. The measuring resistor RX, which changes with the crystal weight, is compared in a bridge circuit with the resistor R, which changes continuously or with the pulling process. R and R are resistances of a certain size.
The poles 31 and 32 serve as mains connections, the connections 33 and 34 for taking the control voltage, which is conveniently used via an amplifier to control the temperature curve in the case of constant drawing speed or the drawing speed at constant temperature of the melt. The control loop used for control is no longer shown in the figure.
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