DE1033911B - Verfahren zum Züchten von Einkristallen aus Halbleitergrundstoffen, insbesondere aus Germanium - Google Patents

Description

Die eigentümlichen elektrischen Eigenschaften von Transistoren, die sie zur Verwendung als Verstärker, Oszillatoren, Detektoren, Fotoleiter und allgemein als nichtlineare elektrische Vorrichtungen geeignet machen, treten zuverlässig nur dann auf, wenn der Halbleiterkörper des Transistors aus einem einzigen Kristall besteht.

Mit der Herstellung von Einkristallen, insbesondere von Germanium-Einkristallen und von Einkristallen anderer Elementhalbleiter, die für Transistoren u. dgl. geeignet sind, befaßt sich die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe. Die bekannteste Herstellungsmethode ist das Verfahren zum Züchten von Einkristallen nach Bridgeman. Bei der Bridgeman-Methode wird ein trichterförmiger Schmelztiegel, der das zu kristallisierende geschmolzene Material enthält, langsam durch einen Bereich mit einem bestimmten Temperaturgradienten bewegt. Der obere Teil des Bereiches liegt dabei über dem Schmelzpunkt des Materials und der untere Teil des Bereiches unter dem Schmelzpunkt.

Das bekannte Bridgeman-Verfahren eignet sich jedoch nicht für Stoffe, die sich beim Erstarren ausdehnen, da die in dem Material entstehenden Spannungen polykristallinische Effekte bewirken. Für solche Stoffe ist zur Züchtung eines Einzelkristalls das von Czochralski bekanntgewordene Eintauchverfahren mit einem Impfkristall angewandt worden. Es besteht darin, daß ein Stab aus reinem Germanium oder einem anderen Material, aus dem der Kristall gebildet werden soll, in einen Schmelztiegel eingetaucht wird, der das geschmolzene Germanium od. dgl. enthält. Der Schmelztiegel muß in einem Ofen mit einem gesteuerten senkrechten Temperaturgradienten so liegen, daß das geschmolzene Material in dem Schmelztiegel den Schmelzpunkt des Germaniums erreicht. Das geschmolzene Material unterhalb der Oberfläche ist natürlich heißer als der Schmelzpunkt, und der Raum über der Oberfläche ist kühler. Dann wird der Germaniumstab sehr langsam mit einer genau gesteuerten Geschwindigkeit wieder nach oben herausgezogen mit dem Ergebnis, daß ein einziger Germaniumkristall am Ende des Stabes gewachsen ist. Bei diesem Prozeß muß man sehr sorgfältig sowohl bezüglich der Temperatursteuerung als auch bezüglich der Bewegung des Stabes vorgehen, um die Entwicklung einer polykristallinischen Struktur zu verhindern. Der Temperaturgradient des Ofens muß fortlaufend so justiert werden, daß er den Ortswechsel der Oberfläche des geschmolzenen Materials beim Herausziehen des Kristalls ausgleicht.

Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung von Halbleiterkörpern aus Germanium für Kristalldioden wird ein zylindrischer Kohlekörper mit HaIb-Verfahren zum Züchten von Einkristallen

aus Halbleitergrundstoffen,
insbesondere aus Germanium

Anmelder:

IBM Deutschland
Internationale Büro-Maschinen

Gesellschaft m. b. H.,
Sindelfingen (Württ), Tübinger Allee 49

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 18. Dezember 1953

Lloyd Philip Hunter, Poughkeepsie, N. Y. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

kreisquerschnitt benutzt, der auf seiner ebenen Oberfläche einige hundert Sacklöcher von 3 mm Durchmesser und 1V₂ mm Tiefe enthält. Diese Löcher werden bis zum oberen Rand mit Germaniumpulver gefüllt und das Ganze dann in einer Atmosphäre aus Stickstoff oder Helium oder im Vakuum erhitzt, bis in jedem Loch das Germanium geschmolzen ist. Nach dem darauffolgenden Erstarren gewinnt man Germaniumkügelchen von etwa 1 mm Durchmesser, die dann zur Herstellung von Kristalldioden weiterverarbeitet werden können.

Es ist auch für ein Verfahren zur Herstellung von Einkristallen großer Homogenität aus einer Schmelze in einem Graphittiegel vorgeschlagen worden, das Schmelzgut in einem langgestreckten muldenförmigen Tiegel so einzubringen, daß sich die Schmelze in horizontaler Richtung ausdehnen kann.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Verbesserung und Vereinfachung der bisher bekanntgewordenen Verfahren zur Züchtung von Einkristallen. Die Erfindung zeichnet sich dabei noch durch die Verwendung besonders einfacher Geräte aus.

Für ein Verfahren zum Züchten von Einkristallen aus Halbleitergrundstoffen, insbesondere aus Germanium, durch Erstarrenlassen einer Schmelze, wobei die Schmelze so auf der Unterlage angeordnet ist, daß sie sich in horizontaler Richtung frei ausdehnen kann, besteht danach die Erfindung in der Verwendung einer flachen Unterlage, auf der die Schmelze

809 560/426

als Scheibe ausgebreitet wird, in deren Mittelpunkt eine Wärmesenke angeordnet wird. Der technische Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sich das geschmolzene Gut in der horizontalen Ebene nach sämtlichen Richtungen berührungsfrei mit den seitlichen Wandungen seines Behälters ausbreiten kann und daß sich das geschmolzene Gut bei anhaltendem Wärmeentzug über die zentrale Wärmesenke radial von dieser Wärmesenke aus nach außen verlaufend gleichmäßig verfestigen kann. Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird die Bildung polykristalliner Struktur an den Rändern vermieden.

Die Masse, z. B. aus Germanium, wird bei dem Verfahren nach der Erfindung in den Boden eines Schmelztiegels gebracht. Sie muß klein genug und so eingelegt sein, daß beim Schmelzen keine der Seitenwände des Schmelztiegels berührt wird. Ein Stab aus gut wärmeleitfähigem Material, der vorzugsweise zugespitzt ist, wird dann in Kontakt mit einem Teil der geschmolzenen Masse gebracht und aus einer von der Masse entfernt liegenden Stelle aus dem Stab langsam Wärme abgezogen. Die Masse erstarrt dabei allmählich, um einen einzigen Kristall zu bilden. Die Erstarrung verläuft radial von dem Berührungspunkt des Stabes als Mittelpunkt aus. Der Schmelztiegel und der Stab müssen aus einem Material bestehen, welches das Material, aus dem der Kristall gebildet wird, nicht benetzt.

Die Erfindung sei für eine beispielsweise Ausführungsform an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung im Vertikalschnitt zur Durchführung des Einkristallherstellungsverfahrens nach der Erfindung;

Fig. 2 ist ein waagerechter Schnitt in der Ebene H-II der Anordnung nach Fig. 1.

In der Zeichnung ist mit 1 ein Ofen von zylindrischer Form bezeichnet. Im Ofen 1 befindet sich ein zylindrischer Schmelztiegel 2. Auf dem Boden des Schmelztiegels 2 und außerhalb jeder Berührung mit dessen Seitenwänden liegt die geschmolzene Masse 3, z. B. aus Germanium oder einem anderen zu kristallisierenden Material. Innerhalb des Ofens 1 erstreckt sich, nach unten weisend, die Sonde 4, die das geschmolzene Gut 3 berührt. Das untere Ende des Stabes 4 ist zugespitzt und am oberen Ende durch geeignete Mittel an einem Deckel 5 des Ofens 1 befestigt. Es sind Mittel vorgesehen, um diesen Raum innerhalb des Ofens 1 luftleer zu pumpen. Man kann dafür jedes bekannte Evakuierungsmittel einsetzen. Nach Fig. 1 ist zur Evakuierung des Ofenraumes beispielsweise eine Luftpumpe 6 vorgesehen. Das obere Ende der Stange 4 enthält eine Kühlspule 7. An Stelle einer äußeren Kühlspule läßt sich natürlich auch jede andere Form eines Kühlmechanismus verwenden. Die Kühlung kann z. B. auch innerhalb des Stabes 4 liegen.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bildung eines Einkristalls wird eine Menge Germanium auf den Boden des Schmelztiegels 2 gebracht und der Tiegel mit dem Germanium dann in den Ofen 1 eingesetzt. Der Deckel 5 mit dem angebrachten Stab 4 und den Luftpumpenanschlüssen wird dann auf den Ofen 1 aufgesetzt. Es folgt anschließend die Evakuierung des Ofeninnenraumes bis zu einem bestimmten Innendruck und bei Inbetriebnähme des Ofens, um das Germanium 3 auf seinen Schmelzpunkt zu bringen. Man kann dafür an sich jedes geeignete Erhitzungs- und Temperatursteuermittel verwenden. Das gesamte Innere des Ofens ist auf dem Schmelzpunkt des Germaniums zu halten.

Die in den Schmelztiegel 2 eingebrachte Germaniummenge muß so bemessen sein, daß sie beim Schmelzen eine Masse 3 bildet, welche keine der Seitenwände des Schmelztiegels 2 berührt. Der Wärmeentzug aus der Masse über den Stab 4 erfolgt durch Abkühlen des oberen Sondenendes, z. B. mit Hilfe der Kühlspule 7. Die Wärme muß langsam ohne plötzlichen Temperaturabfall an irgendeinem Orte innerhalb des Ofens abgezogen werden. Beim Entziehen der Wärme erstarrt das Germanium, und zwar zuerst in der Nachbarschaft der Spitze des Stabes 4, von wo aus die Erstarrung nach außen fortschreitet.

Germanium dehnt sich beim Erstarren etwa um 10% seines Volumens aus. Damit der aus der Masse 3 gebildete Kristall ein vollkommener Einkristall wird, dürfen die Kanten der Masse niemals die Wände des Schmelztiegels 2 während des Abkühlungsvorganges berühren. Daher muß die Masse des Germaniums kleiner sein als die zum Bedecken des Bodens des Schmelztiegels erforderliche Masse und nicht nur kleiner sein als die ausgedehnte Fläche des Germaniums beim Abkühlen, sondern zusätzlich um weitere 4 oder 5°/o dieses Bereiches.

Wenn nämlich eine Kante der Masse eine Wand des Schmelztiegels während des Abkühlungsvorganges berührt, dann entsteht an dieser Kante eine polykristallinische Formation. Die Masse kann im größten Teil ihrer Ausdehnung einen brauchbaren Einkristall bilden, ist jedoch überall dort polykristallinisch, wo sie seitlich begrenzt wird.

Damit sich die flüssige Masse nicht ausdehnt und die Wände des Schmelztiegels berührt, muß dieser aus einem Material bestehen, das das Material, aus dem der Kristall gebildet wird, nicht benetzt. Gleichermaßen darf auch der Stab nicht durch das Germanium benetzt werden. Der Schmelztiegel 2 und der Stab 4 dürfen nicht aus einem Material bestehen, das den Kristall verunreinigen würde. Bei Germanium als Schmelzgut ist Graphit oder Kohle sowohl für den Schmelztiegel 2 als auch für den Stab 4 von diesen beiden Gesichtspunkten aus vorzuziehen.

Das Verfahren nach der Erfindung ist nicht unbedingt auf die Verwendung von Stoffen beschränkt, die sich beim Erstarren ausdehnen. Die Evakuierung des Ofens während des Schmelzvorganges dient nur dazu, um eine Verunreinigung des Germaniums durch Luft oder ein anderes Gas im Ofen zu verhindern. Dort, wo die Verunreinigung des Materials durch die Gase in dem Ofen keine Rolle spielt, braucht nicht evakuiert zu werden.

Der Boden des Schmelztiegels 2, auf welchem sich die Masse befindet, kann entweder eben oder leicht konkav sein. Wenn er zu stark konkav ist, so daß die Schmelze teilweise eingegrenzt wird, können sich leicht polykristallinische Stellen ausbilden. Die allgemeine Temperatur im Ofen ist zweckmäßig auf der Schmelztemperatur des Materials während des Erstarrungsvorganges zu halten. Das langsame Abziehen von Wärme aus einem Punkt in der Germaniummasse kann dann leicht dazu führen, daß die gesamte Masse erstarrt.

Claims (7)

1. Patentanspruch ε-1 . Verfahren zum Züchten von Einkristallen aus Halbleitergrundstoffen, insbesondere aus Germanium, durch Erstarrenlassen einer Schmelze, wobei die Schmelze so auf der Unterlage angeordnet ist, daß sie sich in horizontaler Ebene frei ausdehnen kann, gekennzeichnet durch die Verwendung einer flachen Unterlage, auf der die

   Schmelze als Scheibe (3) ausgebreitet wird, in deren Mittelpunkt eine Wärmesenke (4) angeordnet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß die Sonde (4) an der Kontaktstelle zugespitzt ist.
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Schmelztiegel (2) und Sonde (4) aus dem das Schmelzgut nicht benetzenden Material bestehen.
4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeentzug langsam und frei von Temperatursprüngen durchgeführt wird.
5. 5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Ofen (1) mit abnehmbarem Deckel (5) und mit einer in den Deckel eingebauten Halterung für die Aufnahme einer wärmeleitenden und wärmeentziehendein Sonde (4), deren Gegenende in das Innere des in den Ofen (1) eingebrachten Schmelztiegels (2) hineinragt und dazu dient, die freie Oberfläche des in den Tiegel eingebrachten geschmolzenen Gutes zu berühren.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Ofen eingebaute Sonde (4) am Halterungsende mit einer Kühlspule (7) ausgerüstet ist.
7. 7. Anordnung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Innenraum des Ofens (1) ein Evakuierungsgerät (6) verbunden ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Auslegeschrift B 24701 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 13. 10. 1955).

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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