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Verfahren und Vorrichtung zum Ausrichten eines Keimkristalls beim
Ziehen von Einkristallen Der Grundkörper für Halbleiteranordnungen, wie Gleichrichter,
Transistoren, Fotodioden u. dgl., besteht meistens aus einem im wesentlichen einkristallinen
Scheibchen des entsprechenden Halbleitermaterials, z. B. Germanium, Silizium oder
einer intermetallischen Verbindung von Elementen der III. und V. Reihe des Periodischen
Systems. Für die Herstellung dieser Scheibchen wurden in größerem Maße Einkristalle
des entsprechenden Materials benötigt. Diese werden im allgemeinen durch sogenanntes
Ziehen gewonnen. Das kann beispielsweise so durchgeführt werden, daß zunächst ein
einkristalliner Keimling an das Ende eines polykristallinen Stabes aligeimpft wird.
Danach wird dann das polykristalline Gefüge in einer Zone erschinolzen, die man
von dem Ende, an dem der Keimling sitzt, zum anderen Ende -des Stabes wandern läßt.
Das Wiedererstarren erfolgt dann einkristallin. Um möglichst symmetrische runde
Einkristallstäbe zu erhalten, aus denen sich dann leicht die vorerwähnten Scheibchen
durch Abschneiden senkrecht zur Stabachse gewinnen lassen, ist ein spezielles Verfahren
entwickelt worden, bei dem der-Halbleiterstab senkrecht eingespannt und der bereits
einkristalline Teil in Drehbewegung gehalten wird. Hierdurch wird ein annähernd
rotationssymmetrisches Wachsen des Einkristallstabes gewährleistet. Entsprechend
kann auch beim Ziehen aus der Schmelze verfahren werden.
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Es wurde nun beobachtet, daß die (111)-Flächen bei verschiedenen Halbleitermaterialien
die Richtung bevorzugten Kristallwachstums sind. Im Interesse eines möglichst störungsfreien
Kristallwachstums wird man also versuchen, die Ziehrichtung des Einkristalles, also
die Richtung der Stabachse, mit der (111)-Richtung zusammenfallen zu lassen. Es
wurde auch erkannt, daß (111)-Flächen am besten zum Legieren der Dotierungsmetalle
der Halbleiteranordnungen geeignet sind. Es ist also auch aus diesem Grunde erwünscht,
die Stabachse mit der (111)-Achse des Einkristalles zusammenfallen zu lassen, damit
die ,Oberflächen der von dem Stab abgeschnittenen Halbleiterscheibchen (111)-Orientierung
zeigen. In anderen Fällen erscheint es auch wünschenswert, eine andere Orientierung
des Kristallwachstums einzustellen. Es mußte also ein Verfahren entwickelt werden,
nach dem der Keimling beim Ziehen von Einkristallen ausgerichtet werden kann, um
die Orientierung der Einkristalle vom Zufall unabhängig zu machen, Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfah ren zum Ausrichten des einkristallinen Keimlings beim
Ziehen von Einkristallen, insbesondere von Halbleiterstäben, die zur Herstellung
von Halbleiteranordnungen, wie z. B. Gleichrichtern, Transistoren, Fotodioden u.
dgl., dienen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein schmales Lichtbündel auf eine
etwa senkrecht zur Stabachse des Keimkristalles angeschliffene und orientierend
geätzte Stirnfläche desselben geworfen und der Keimkristall vermittels einer mechanischen
justiervorrichung so eingestellt wird, daß der reflektierte Lichtstrahl bei Drehung
des Keimkristalles um die Drehachse seiner Halterung nicht wandert. Besonders einfach
wird die justierung, wenn das Lichtbündel genau in derDrehachse derHalterung verläuft.
Zweckmäßigerweise wird zur Anwendung des Verfahrens eine justiervorrichtung verwendet,
die aus einer drehbar gelagerten Scheibe mit einem radialen Schlitz besteht, in
welchem ein Schlitten verschiebbar und feststellbar gelagert ist und eine in der
Schlitzebene schwenkbare Hülse trägt, die vortElhafterweise mit Zentrierscheiben
zum Festhalten des Keimkristalls versehen ist und um ihre eigene Achse gedreht werden
kann.
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Mit dem Verfahren läßt sich ohne großen Aufwand eine Genauigkeit von
0,2' erzielen. Es hat sich für Stoffe mit Diamantgitter und solche mit Zinkblendegitter
bewährt, ist aber allgemein geeignet für kristallines Material, bei dem durch Ätzung
spiegelnde Flächen einer bestimmten Orientierung freigelegt werden können.
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An Hand von Beispielen sollen das Verfahren und die Vorrichtung näher
erläutert werden. Zum Ziehen eines Silizium-Einkristalls wird ein Keimling benötigt.
Ein kleines Stück eines Einkristalls wird zu diesem Zwecke etwa senkrecht zu seiner
Achse ab-Cleschliffen und darauf mit einer starken Lauge geätzt,
z.
B. mit heißer 501/oiger Kalilauge oder Natronlauge. Hierdurch werden spiegelnde
(111)-Flächen freigelegt. Diese werden sich im Norrnallfalle, also wenn nicht die
Normale auf der S chleiffläche mit der (111) -
Richtung zusammenfällt,
dachziegelartig überlappen, wie es die Fig. 1 darstellt. Die Normalen auf
diesen Flächenelementen liegen in (111) -Richtung und bilden beim Auftreffen eines
Lichtstrahles das Einfallslot. Wird nun der Keimling drehbar eingespannt und um
seine DrehachseA gedreht, so bildet ein in Richtung der Drehachse A auftreffender
Lichtstrahl in der Reflexion einenKegelmantel mit demöffnungswinke14b, wenn
ö den Winkel zwischen der Drehachse A und der (111)-Richtung darstellt
(s. Fig. 1). Fallen DrehachseA und (111)-Richtung zusammen (b = 0),
so entartet der Kegel zu einer Geraden, und der Lichtstrahl fällt in sich selbst
zurück. Das schmale Lichtbündel kann zweckmäßigerweise durch eine Lampe 2 mit einer
davorgeschalteten Lochblende 3 erzeugt und der reflektierte Lichtstrahl durch
eine Fotozelle 4 aufgenommen werden. Der drehbar gelagerte Keimling ist mit
5 bezeichnet.
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Fig. 2 zeigt dasselbe Prinzip, nur daß in diesem Falle der Lichtstrahl
nicht parallel der Drehachse des Keimlings auf diesen geworfen wird, sondern etwas
von der Seite her. Beim Drehen des Keimlings beschreibt der reflektierte Lichtstrahl
wiederum einen Kegelmantel, dessen Rotationsachse aber nun nicht mit der Drehachse
A des Keimlings zusammenfällt, sondern mit dieser den gleichen Winkel a einschließt
wie der einfallende Lichtstrahl. Fällt bei dieser Anordnung die (111)-Richtung des
Keimlings mit seiner Drehachse A zusammen, so entartet wiederum der Kegelmantel
zu einer Geraden. Der reflektierte Lichtstrahl fällt jetzt aber nicht in den einfallenden
Lichtstrahl zurück, sondern er fällt in die Rotationsachse des Kegels. Ordnet man
nun hier eine Fotozelle 4 an, so kann hierdurch ein Nichtwandern des reflektierten
Lichtstrahles festgestellt werden. Bei der Anordnung nach Fig. 1 wäre die
Anbringung der Fotozelle in der Rotationsachse des Kegelmantels, den der reflektierte
Lichtstrahl beschreibt, nicht möglich, weil dadurch der einfallende Lichtstrahl
abgedeckt würde. Wie die Praxis gezeigt hat, genügt hier aber meist auch schon die
rein optische Beobachtung, z. B. im verdunkelten Raum, um das Ruhen des reflektierten
LichtstraUles bei der Drehung des Keimlings festzustellen.
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Zum Ausrichten des Keimlings wird zweckmäßig eine mechanische Justiervorrichtung
benutzt, die in Fig. 3 dargestellt ist. Sie besteht aus einer Platte
10,
die um die AchseA gedreht werden kann. Diese Platte 10 enthält
einen Schlitz 11, in dem ein Schlitten 12 verschiebbar und feststellbar gelagert
ist. Dieser trägt in der Schlitzebene schwenkbar eine Hülse 13, die mit Zentrierschrauben
14 versehen sein kann. Vorteilhaft wird die Hülse um die Achse B drehbar gelagert.
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Beim Ausrichten des Keimkristalls für einen Ziehvorgang wird nun zunächst
die Platte 10 auf einer Drehvorrichtung befestigt und der Keim
15 in der Hülse 13 zentriert. Dann wird ein enggebündelter Lichtstrahl
in der Richtung der Achse A auf das_-geschliffene und geätzte Ende des Keimlings
geworfen und die gesamte in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung um die Achse
A gedreht. Mit Hilfe der dreh- und schwenkbaren Hülse 13 und des verschiebbaren
Schlittens 12 läßt sich der Keimling in eine solche Lage bringen, daß die Normale
auf den spiegelnden (111)-Flächen mit der Achse A zusammenfällt und damit der Lichtstrahl
in sich selbst zurückfällt. Hierbei muß darauf geachtet werden, daß die geschliffene
und geätzte Fläche beim Drehen um die AchseA nicht schlägt. Nun kann die gesamte
in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung in die Vorrichtung zum Ziehen des Einkristalls
eingesetzt und der polykristalline Halbleiterstab 16 auf die geschliffene
Fläche des Keimlings 15
aufgeschmolzen werden. Nach dem sogenannten Ziehen
zeigt der Halbleiterstab dann genaue (111)-Orientierung. Normalerweise beträgt die
Abweichung der (111)-Richtung des Keimlings von seiner RotationsachseB nur wenige
Grad. In Fig.3 wurde der deutlicheren Darstellung halber eine wesentlich stärkere
Abweichung angenommen. Mit Hilfe der Vorrichtung ist man aber in der Lage, auch
Keimlinge mit solch extrem starken Abweichungen einzujustieren, wie sie die Fig.
3 zeigt (bis etwa 30'). Soll der zu ziehende Einkristall eine von
der (111)-Richtung abweichende Orientierung aufweisen, so kann diese nach der Feststellung
der (111)-Richtung des Keimlings mit Hilfe der schwenkbaren Hülse 13 leicht
eingestellt werden.