<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zur Herstellung von aus Halbleitermaterial bestehenden
Kristallen, insbesondere Einkristallen
Zum Ziehen von Kristallen, insbesondere einkristallinen Halbleiterkristallen, aus der Schmelze sind mehrere Verfahren bekannt. Sie bestehen meist darin, dass ein einkristalliner Keim des Halbleitermaterials mit einer einige Grad über den Schmelzpunkt erhitzten Schmelze in Berührung gebracht und so lange in der Schmelze belassen wird, bis sich ein Gleichgewicht zwischen Schmelze und Kristall eingestellt hat. Dann wird der Keim mit einer solchen Geschwindigkeit aus der Schmelze wieder herausgezogen, dass das am Keim anhaftende Halbleitermaterial am Keim ankristallisiert.
Bei einem andern Verfahren wird der Kristall aus einer tiegellos gehaltenen Schmelze gezogen. Mittels induktiver Erhitzung wird hiebei ein Ende eines gehalterten Stabes aufgeschmolzen und mit einem einkristallinen Keim in Berührung gebracht. Sobald der Keim von der Schmelze benetzt wird, lässt man die geschmolzene Zone vom Keim ausgehend in Richtung der Stabachse wandern, wobei geschmolzenes Halbleitermaterial am Keim ankristallisiert.
Bei der Durchführung dieser Verfahren wurde festgestellt, dass die Kristallperfektion der gezogenen Kristalle nicht den Erfordernissen der Halbleitertechnik entspricht. Es werden oft Gitterversetzungen u. a. Störungen im Kristallgefüge beobachtet, die sich bei der Verarbeitung der Kristalle zu Halbleiteranordnungen, z. B. Transistoren oder Dioden, als sehr störend bemerkbar machen.
Für die Kristallperfektion der gezogenen Kristalle werden bekanntlich die Symmetrie der Heizzone als auch eine gewisse Nachheizzone und nicht zuletzt die Form der Erstarrungsfront bzw. die Form der Isothermen in den der Erstarrungsfront benachbarten, noch plastischen Teilen des erstarrten Materials verantwortlich gemacht.
Es wurde bereits vorgeschlagen, die Kristallperfektion dadurch zu verbessern, dass der gezogene Kristall durch eine den radialen Temperaturgradienten im Stab vermindernde und anschliessend durch eine den axialen Temperaturgradienten vergrössernde Zone gezogen wird.
Nach einem andern Vorschlag werden Form und Lage der Isothermen im gezogenen Kristall dadurch beeinflusst, dass man bei gegebenem Stabdurchmesser die Ziehgeschwindigkeit auf einen bestimmten Wert einstellt. Diese Massnahme kann jedoch dann nicht angewendet werden, wenn der Stab über die ganze Länge einen bestimmten konstanten Dotierungsgrad aufweisen soll, denn in diesem Fall ist die Ziehgeschwindigkeit bereits festgelegt.
Zweck der Erfindung ist es daher, insbesondere auch in diesen Fällen eine Möglichkeit für die Verbesserung der Kristallperfektion zu finden.
Es ist auch bereits ein Verfahren zum Beeinflussen der Kristallisation beim Ziehen von Kristallen aus einer Schmelze aus Halbleitergrundstoff und elektrisch wirksamen Fremdstoffen nach dem Stufenziehverfahren bekanntgeworden.
Bei diesem Verfahren werden die Kristallisationsgeschwindigkeit und die Temperatur der Schmelze geregelt, um die Fremdstoffe im wachsenden Kristall auf bestimmten Zonen gezielt zu verteilen, u. zw. erfolgt die Temperaturänderung durch Umpolen eines durch den Kristall und die Schmelze flie- ssenden Gleichstromes.
<Desc/Clms Page number 2>
Dieses bekannte Verfahren kann sowohl beim Ziehen aus dem Tiegel als auch beim Ziehen aus einer tiegellos zwischen den zwei gehalterten Enden eines Halbleiterstabes gehalterten Schmelzzone angewendet werden. Der elektrische Gleichstrom wird beim bekannten Verfahren während des Ziehens des Kristalls bezüglich der Stromrichtung mehrmals geändert, um Übergänge zwischen Zonen unterschiedlicher Dotierung im wachsenden Kristall herzustellen.
Gemäss der Erfindung, die sich auf die Herstellung von aus Halbleitermaterial bestehenden Kristallen, insbesondere Einkristallen, durch tiegelloses Zonenschmelzen bezieht, bei dem eine Schmelzzone längs der Achse eines an seinen Enden gehalterten Halbleiterstabes entlanggeführt und während des Zonenschmelzens durch den Halbleiterstab und die Schmelze ein elektrischer Gleichstrom geschickt wird, ist zur Verringerung der Gitterstörungen im gezogenen Kristall vorgesehen, dass der elektrische Gleichstrom während des Zonenschmelzens entgegen der Zonenziehrichtung durch den Halbleiterstab und die Schmelzzone geschickt wird. Der gezogene Kristall liegt also am negativen Pol einer Stromspannungsquelle, während der in die Schmelzzone nachzuführende Halbleiterstab an den positiven Pol einer Stromspannungsquelle angeschlossen ist.
Die Kristallisationsgrenze kann bei dem erfindungsgemässen Verfahren auf Grund der an der Kristallsationsgrenze auftretenden, durch den Peltier-Effekt bedingten Erwärmung relativ zu der die geschmolzene Zone erzeugenden Heizeinrichtung entlang der Stabachse in Richtung zum gezogenen Kristall bis zu einer Isotherme verschoben werden, bei der geringe thermische Spannungen auftreten, d. h. zu einer schwach konvex gekrümmten oder ebenen Isotherme. Hiedurch werden Kristallfehler, insbesondere Versetzungen, die sonst von thermischen Spannungen herrühren, vermieden, weil die thermischen Spannungen umso geringer sind, je weniger die Kristallisationsgrenze gekrümmt ist.
Ebenso wird die andere Phasengrenze flüssig/fest, die Aufschmelzzone, auf Grund der hier auftretenden, durch den Peltier-Effekt bedingten Abkühlung in Richtung zum gezogenen Kristall verschoben.
Bekanntlich tritt beim Stromdurchgang eine Erwärmung bzw. Abkühlung auf Grund des Peltiereffektes in Abhängigkeit von Stromstärke und Stromrichtung nicht nur an der Grenzfläche zwischen verschiedenen Kontaktmaterialien auf, sondern auch an der Grenzfläche zwischen der festen und flüssigen Phase desselben Leitungsmaterials, insbesondere Halbleitermaterials.
Beispielsweise besitzen bekanntlich Silizium und Germanium positiven Peltiereffekt, d. h. an der Grenzfläche zwischen fester und flüssiger Phase dieser Stoffe wird Wärme absorbiert, wenn die feste Phase an den positiven, die flüssige Phase an den negativen Pol einer Gleichspannungsquelle gelegt wird. Bei umgekehrter Polung tritt an der Grenzfläche dagegen ein mit Erwärmung verbundener Peltiereffekt auf. Infolgedessen wird z. B. beim Zonenschmelzen etwa eines Germaniumkristalles, bei dem die Schmelze zwischen zwei festen Kristallstücken gehaltert wird, sofern zwischen den beiden Kristallstücken Gleichstrom fliesst, an der Grenzfläche des einen Kristallstückes zur Schmelze bei positiver Polung des Kristallstückes Abkühlung, ander ändern Grenzfläche bei negativer Polung des Kristallstückes dagegen Erwärmung auftreten.
Beim Ziehen von Kristallen aus Schmelzen bildet sich bekanntlich ein radialer Temperaturgradient im gezogenen Kristall aus, die Erstarrungsfront und die Isothermen im gezogenen Kristall sind meist gekrümmt. Die geschmolzene Zone, die meist entweder durch eine Induktionsspule oder durch Strahlung von aussen erzeugt wird, hat in der Randzone des Kristalles eine höhere Temperatur als im mittleren Bereich, die Erstarrung des gezogenen Stabes erfolgt von der Mitte des Stabes her, die Erstarrungsfront ist vom Keim zur Schmelze hin gekrümmt.
In einiger Entfernung von der Erstarrungsfront übersteigt die Wärmeabstrahlung der Kristalloberfläche die ursprüngliche Temperaturdifferenz zwischen Randzone und mittlerer Zone, so dass jetzt die Verhältnisse umgekehrt liegen. die Isothermen sind zum Keim hin gekrümmt. Im gezogenen Kristall werden also die Isothermen von der konkav gekrümmten Erstarrungsfront aus zuerst flach und gehen schliesslich in eine konvexe Krümmung über.
Der radiale Temperaturgradient in dem aus der Schmelze gezogenen, kristallisierenden Halbleitermaterial ist umso grösser, je stärker die Isothermen gekrümmt sind. Eine ebene oder schwach konvex gekrümmte Erstarrungsfront erweist sich als besonders günstig, wenn die Versetzungen im Kristall vermindert werden sollen, weil in diesem Fall in unmittelbarer Nähe der Erstarrungsfront, also in dem Bereich, in dem das Halbleitermaterial noch plastisch ist, die geringsten Wärmespannungen auftreten.
Die Form der Erstarrungsfront und der Isothermen lässt sich zwar auch durch die Ziehgeschwindigkeit einstellen. Man kann für jeden Kristall eine Ziehgeschwindigkeit finden, bei der die günstige Form der Erstarrungsfläche auftritt, doch ist die Ziehgeschwindigkeit meist durch den erwünschten, konstanten Dotierungsgrad bereits festgelegt.
In diesem Fall wird durch die Erfindung ein neuer Parameter eingeführt. Die auf Grund des Peltier-
<Desc/Clms Page number 3>
Effektes in Abhängigkeit der Stromstärke und Stromrichtung auftretende Erwärmung bzw. Abkühlung kann in jedem Fall, also für jede Ziehgeschwindigkeit und jeden beliebigen Kristalldurchmesser sowie für jedes Material so eingestellt werden, dass die Erstarrungsfront die günstigste Form annimmt ; gleichzeitig be- wirktdiejoule'sche Wärme eine Verminderung der Spannungen durch die Aufheizung. Will man die Aufheizung noch vergrössern, so kann es in einzelnen Fällen vorteilhaft sein, dem Gleichstrom einen Wechselstrom zu überlagern.
Der Wechselstrom bewirkt keinen Peltier-Effekt, er erwärmt aber durch die Joule'scheWärme das Halbleitermaterial, insbesondere das feste Kristallstück, d. h. die Joule'sche Wärme kann unabhängig von der Peltierwärme dosiert werden.
In Fig. l ist beispielsweise ein Ausschnitt aus einem Halbleiterstab, der ohne Ausnutzung des PeltierEffektes tiegelfrei zonengeschmolzen wird, dargestellt. Zwischen dem oberen Stabteil 1 und dem unteren Stabteil 2 befindet sich die geschmolzene Zone 3, die nach unten wandert. Die KristallWachstumsrichtung ist durch den Pfeil 4 symbolisiert. Von den im auskristallisierenden Stabteil 1 gezeichneten Linien bedeutet die Linie 5 die Erstarrungsfront, die andern Linien stellen die Isother- mendar. Diemit 6 bezeichnetenIsothermenhabendieForm. diefürdieErstarrungsfrontundfürdieder Er-' starrungsfrontbenachbarten Isothermen bei der Gewinnung möglichst versetzungsfreier Kristalle am günstigsten ist.
Mit Hilfe der in der Erfindung vorgesehenen Massnahme, den mit Hilfe eines durch Kristall und Schmelze fliessenden elektrischen Gleichstromes auftretenden, von Stromstärke und Stromrichtung abhängigen Peltier-Effekt zur Gewinnung möglichst versetzungsfreier Kristalle auszunutzen, kann die Lage der Erstarrungsfront relativ zur Heizanordnung verändert werden, d. h. man kann die Erstarrungsfront in Richtung der Kristallachse beliebig verschieben.
Durch eine Erwärmung der einen Grenzfläche flüssig/fest, z. B. der Erstarrungsfläche auf Grund des Peltier-Effektes, d. h. bei negativer Polung des gezogenen Kristalles, also bei einer Stromrichtung entgegen der. Zonenziehrichtung, wird die Erstarrungsfront in Richtung des gezogenen Kristalles verschoben.
Durch Einstellung einer bestimmten Stromstärke, die sich für jeden Durchmesser und jede Ziehgeschwindigkeit experimentell bestimmen lässt, kann die Erstarrungsfront bis zur Isothermen-Fläche verschoben werden, bei der die geringsten thermischen Spannungen auftreten.
Beispielsweise hat sich bei der Herstellung eines Silizium-Einkristalles mit einem Durchmesser von etwa 10,, 5 mm aus einer tiegellos gehaltenen Schmelze bei einer Ziehgeschwindigkeit von etwa 2, 5 mm/min eine Stromdichte von etwa 100 A/cm2 als besonders vorteilhaft erwiesen. Der Kristall wurde während des Versuches 60 mal/min gedreht. Die kleinste Versetzungsdichte erzielt man, wenn der Strom entgegen der Ziehrichtung fliesst, wenn also das aus der Schmelze gezogene Kristallstück an den negativen Pol einer Stromspannungsquelle gelegt wird. An der andern Grenzfläche der geschmolzenen Zone tritt Abkühlung auf Grund des Peltier-Effektes auf, so dass auch hier die relative Lage der Grenzfläche flüssig/fest zur Heizzone in Richtung der Stabachse verschoben wird.
In Fig. 2 ist ein Ausschnitt aus einem Stab dargestellt, bei dem mittels eines entgegen der Zonenrichtung fliessenden elektrischen Gleichstromes die Lage der Erstarrungsfront im günstigen Sinn beeinflusst wird. Der in Richtung des Pfeiles 4 wachsende Kristall 1 weist eine kleine Versetzungsdichte auf.
Die der Erstarrungsfront 5 benachbarten Isothermen 6 sowie die Erstarrungsfront selbst sind leicht konvex zur Schmelzzone 3 hin gekrümmt, so dass in dem der Erstarrungsfront benachbarten, noch plastischen Teil des kristallisierenden Stabes nur geringe thermische Spannungen auftreten. Der Strom wird in Richtung des Pfeiles 7 durch den Kristall geschickt, d. h. das aus der Schmelze kristallisierende Kristallstück 1 wird an den negativen Pol einer Stromspannungsquelle gelegt. An der Grenzfläche tritt eine Erwärmung auf, die Erstarrung erfolgt erst in weiterer Entfernung von der Heizungsquelle. An der ändern Grenzfläche liegen die Verhältnisse umgekehrt. Hier kühlt sich die Grenzfläche ab, d. h. der Stab 2 wird erst später aufgeschmolzen.
Bei durchgeführten Versuchen, bei denen ausser der Richtung des durch Kristall und Schmelze geschickten Gleichstromes die Versuchsbedingungen konstant gehalten wurden, erzielt man bei einem entgegen der Zonenziehrichtung fliessenden Strom eine Versetzungsdichte von etwa 5000/cm2 im gezogenen Kristall. Ohne die Verwendung des Gleichstromes beträgt die Versetzungsdichte etwa 50000/cm2. Wird der Strom in der Zonenziehrichtung durch Stab und Schmelzzone geschickt, erhält man eine Versetzungsdichte von etwa 15000/cm2. Diese Werte zeigen, dass die Joule'sche Wärme in Verbindung mit der auf Grund des Peltier-Effektes bei entsprechender Polung entstehenden Kälte bereits eine wesentliche Verbesserung der Kristallperfektion mit sich bringt, und dass eine weitere erhebliche Erhöhung der Kristallperfektion durch Umpolung des Stromes erreicht wird.
Eine einfache Möglichkeit, die Versetzungsdichte in Kristallen zu bestimmen, besteht darin, den Kristall kurzzeitig mit einem Ätzmittel, z. B. einem Salpetersäure - Flusssäure - Gemisch (Verhältnis
<Desc/Clms Page number 4>
1 : 1), zu behandeln. Die Störungen im Kristallgitter, vor allem die Gitterversetzungen, machen sich dabei durch Ätzfiguren bemerkbar.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von aus Halbleitermaterial bestehenden Kristallen, insbesondere Einkristallen, durch tiegelloses Zonenschmelzen, bei dem eine Schmelzzone längs der Achse eines an seinen Endengehalterten Halbleiterstabes entlanggeführt und während des Zonenschmelzens durch den Halb- leiterstab und die Schmelzzone ein elektrischer Gleichstrom geschickt wird, dadurch gekennzeich- net, dass zur Verringerung der Gitterstörungen im gezogenen Kristall der elektrische Gleichstrom während des Zonenschmelzens entgegen der Zonenziehrichtung durch den Halbleiterstab und die Schmelzzone geschickt wird.
<Desc / Clms Page number 1>
Process for the production of consisting of semiconductor material
Crystals, especially single crystals
Several methods are known for pulling crystals, in particular single-crystalline semiconductor crystals, from the melt. They usually consist of a single-crystal nucleus of the semiconductor material being brought into contact with a melt heated to a few degrees above the melting point and left in the melt until an equilibrium has been established between the melt and the crystal. Then the seed is pulled out of the melt again at such a speed that the semiconductor material adhering to the seed crystallizes on the seed.
In another method, the crystal is pulled from a melt that is held without a crucible. By means of inductive heating, one end of a held rod is melted and brought into contact with a single-crystal nucleus. As soon as the nucleus is wetted by the melt, the molten zone is allowed to migrate from the nucleus in the direction of the rod axis, with molten semiconductor material crystallizing on the nucleus.
When carrying out these processes it was found that the crystal perfection of the pulled crystals does not meet the requirements of semiconductor technology. There are often lattice dislocations u. a. Disturbances in the crystal structure observed, which arise during the processing of the crystals to form semiconductor devices, e.g. B. transistors or diodes, make noticeable as very annoying.
It is known that the symmetry of the heating zone as well as a certain post-heating zone and not least the shape of the solidification front or the shape of the isotherms in the still plastic parts of the solidified material adjacent to the solidification front are responsible for the crystal perfection of the pulled crystals.
It has already been proposed to improve the crystal perfection by pulling the pulled crystal through a zone that reduces the radial temperature gradient in the rod and then through a zone that increases the axial temperature gradient.
According to another proposal, the shape and position of the isotherms in the pulled crystal are influenced by setting the pulling speed to a certain value for a given rod diameter. However, this measure cannot be used if the rod is to have a certain constant doping level over its entire length, because in this case the pulling speed is already fixed.
The purpose of the invention is therefore to find a way of improving the crystal perfection, especially in these cases too.
A method for influencing the crystallization during the pulling of crystals from a melt of semiconductor base material and electrically active foreign matter by the step pulling process has also become known.
In this process, the crystallization rate and the temperature of the melt are controlled in order to distribute the foreign substances in the growing crystal in specific zones, u. Between then, the temperature change occurs by reversing the polarity of a direct current flowing through the crystal and the melt.
<Desc / Clms Page number 2>
This known method can be used both when drawing from the crucible and when drawing from a melting zone held between the two held ends of a semiconductor rod without a crucible. In the known method, the electrical direct current is changed several times with respect to the current direction during the pulling of the crystal, in order to produce transitions between zones of different doping in the growing crystal.
According to the invention, which relates to the production of crystals consisting of semiconductor material, in particular single crystals, by crucible-free zone melting, in which a melting zone is guided along the axis of a semiconductor rod held at its ends and an electrical direct current is applied through the semiconductor rod and the melt during zone melting is sent, in order to reduce the lattice disturbances in the pulled crystal, the electrical direct current is sent through the semiconductor rod and the melt zone counter to the zone pulling direction during the zone melting. The pulled crystal is therefore connected to the negative pole of a voltage source, while the semiconductor rod to be fed into the melting zone is connected to the positive pole of a voltage source.
In the process according to the invention, the crystallization limit can be shifted along the rod axis in the direction of the pulled crystal up to an isotherm at which low thermal stresses due to the heating caused by the Peltier effect occurring at the crystallization limit relative to the heating device generating the molten zone occur, d. H. to a slightly convex curved or plane isotherm. This avoids crystal defects, in particular dislocations which otherwise result from thermal stresses, because the thermal stresses are lower the less the crystallization limit is curved.
The other phase boundary liquid / solid, the melting zone, is also shifted in the direction of the pulled crystal due to the cooling that occurs here due to the Peltier effect.
As is well known, heating or cooling occurs when current passes due to the Peltier effect, depending on current strength and direction of current, not only at the interface between different contact materials, but also at the interface between the solid and liquid phase of the same line material, in particular semiconductor material.
For example, it is known that silicon and germanium have a positive Peltier effect; H. At the interface between the solid and liquid phase of these substances, heat is absorbed when the solid phase is connected to the positive and the liquid phase to the negative pole of a DC voltage source. If the polarity is reversed, however, a Peltier effect associated with heating occurs at the interface. As a result, z. B. in zone melting of a germanium crystal, in which the melt is held between two solid crystal pieces, provided that direct current flows between the two crystal pieces, at the interface of one crystal piece to the melt with positive polarity of the crystal piece cooling, on the other change boundary surface with negative polarity of the crystal piece however, warming occur.
As is well known, when crystals are pulled from melts, a radial temperature gradient is formed in the pulled crystal, the solidification front and the isotherms in the pulled crystal are usually curved. The molten zone, which is usually generated either by an induction coil or by radiation from the outside, has a higher temperature in the edge zone of the crystal than in the central area, the solidification of the drawn rod occurs from the center of the rod, the solidification front is from the nucleus curved towards the melt.
At some distance from the solidification front, the heat radiation from the crystal surface exceeds the original temperature difference between the edge zone and the middle zone, so that the situation is now reversed. the isotherms are curved towards the nucleus. In the drawn crystal, the isotherms from the concavely curved solidification front first become flat and finally change into a convex curvature.
The radial temperature gradient in the crystallizing semiconductor material drawn from the melt is greater, the more the isotherms are curved. A flat or slightly convexly curved solidification front is particularly beneficial if the dislocations in the crystal are to be reduced, because in this case the lowest thermal stresses occur in the immediate vicinity of the solidification front, i.e. in the area in which the semiconductor material is still plastic.
The shape of the solidification front and the isotherms can also be adjusted through the pulling speed. A pulling speed can be found for each crystal at which the favorable shape of the solidification surface occurs, but the pulling speed is usually already determined by the desired, constant doping level.
In this case a new parameter is introduced by the invention. Due to the Peltier
<Desc / Clms Page number 3>
The heating or cooling effect that occurs as a function of the current strength and direction of current can be set in any case, i.e. for any pulling speed and any desired crystal diameter and for any material, so that the solidification front assumes the most favorable shape; at the same time, the Joule heat causes a reduction in the stresses due to the heating. If you want to increase the heating even more, it can be advantageous in individual cases to superimpose an alternating current on the direct current.
The alternating current does not cause a Peltier effect, but it heats the semiconductor material, in particular the solid crystal piece, i.e. the Joule heat. H. the Joule heat can be dosed independently of the Peltier heat.
In FIG. 1, for example, a section from a semiconductor rod is shown which is zone-melted crucible-free without utilizing the Peltier effect. Between the upper rod part 1 and the lower rod part 2 is the molten zone 3, which migrates downwards. The direction of crystal growth is symbolized by arrow 4. Of the lines drawn in the rod part 1 which crystallizes out, line 5 indicates the solidification front, the other lines represent the isotherms. The isotherms labeled 6 have the shape. the isotherms that are most favorable for the solidification front and for the isotherms adjacent to the solidification front when obtaining crystals that are as free from dislocations as possible.
With the help of the measure provided in the invention, to use the Peltier effect, which occurs with the aid of an electrical direct current flowing through the crystal and the melt and which is dependent on the current strength and direction of the current, to obtain crystals that are as free from dislocation as possible, the position of the solidification front relative to the heating arrangement can be changed, i.e. H. you can move the solidification front in the direction of the crystal axis as desired.
By heating one of the liquid / solid interfaces, e.g. B. the solidification surface due to the Peltier effect, d. H. with negative polarity of the pulled crystal, i.e. with a current direction opposite to. Zone pulling direction, the solidification front is shifted in the direction of the pulled crystal.
By setting a certain amperage, which can be determined experimentally for each diameter and each drawing speed, the solidification front can be shifted to the isothermal surface at which the lowest thermal stresses occur.
For example, when producing a silicon monocrystal with a diameter of about 10.5 mm from a melt held without a crucible at a pulling speed of about 2.5 mm / min, a current density of about 100 A / cm2 has proven particularly advantageous. The crystal was rotated 60 times / min during the test. The smallest dislocation density is achieved when the current flows in the opposite direction to the pulling direction, i.e. when the piece of crystal pulled from the melt is placed on the negative pole of a voltage source. At the other interface of the molten zone, cooling occurs due to the Peltier effect, so that here too the position of the liquid / solid interface relative to the heating zone is shifted in the direction of the rod axis.
In FIG. 2 a section from a rod is shown in which the position of the solidification front is influenced in a favorable sense by means of an electrical direct current flowing counter to the zone direction. The crystal 1 growing in the direction of the arrow 4 has a small dislocation density.
The isotherms 6 adjacent to the solidification front 5 and the solidification front itself are slightly convex towards the melting zone 3 so that only low thermal stresses occur in the still plastic part of the crystallizing rod adjacent to the solidification front. The current is sent through the crystal in the direction of arrow 7; H. the crystal piece 1 crystallizing from the melt is placed on the negative pole of a current voltage source. Heating occurs at the interface, solidification only takes place at a further distance from the heating source. At the other interface the situation is reversed. Here the interface cools down, i.e. H. the rod 2 is only melted later.
In tests carried out in which, in addition to the direction of the direct current sent through the crystal and melt, the test conditions were kept constant, a dislocation density of about 5000 / cm2 in the pulled crystal is achieved with a current flowing counter to the zone drawing direction. Without the use of direct current, the dislocation density is about 50,000 / cm2. If the current is sent through the rod and the melting zone in the zone pulling direction, a dislocation density of about 15,000 / cm2 is obtained. These values show that the Joule heat in connection with the cold caused by the Peltier effect with the appropriate polarity already brings about a significant improvement in crystal perfection, and that a further significant increase in crystal perfection is achieved by reversing the polarity of the current.
A simple way of determining the dislocation density in crystals is to briefly touch the crystal with an etchant, e.g. B. a nitric acid - hydrofluoric acid mixture (ratio
<Desc / Clms Page number 4>
1: 1) to treat. The disturbances in the crystal lattice, especially the lattice dislocations, make themselves noticeable through etched figures.
PATENT CLAIMS:
1. Process for the production of crystals, in particular single crystals, consisting of semiconductor material, by crucible-free zone melting, in which a melting zone is guided along the axis of a semiconductor rod held at its ends and an electrical direct current is sent through the semiconductor rod and the melting zone during zone melting It is indicated that, in order to reduce the lattice disturbances in the pulled crystal, the electrical direct current is sent through the semiconductor rod and the melt zone counter to the zone pulling direction during zone melting.