DE1094238B

DE1094238B - Verfahren zum Konstanthalten der Breite der Schmelzzone beim tiegelfreien Zonenschmelzen

Info

Publication number: DE1094238B
Application number: DEL32661A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Josef Stuke; Dr Phil Nat Walter Hackel
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1959-03-09
Filing date: 1959-03-09
Publication date: 1960-12-08

Description

Verfahren zum Konstanthalten der Breite der Schmelzzone beim tiegelfreien Zonenschmelzen fn letzter Zeit ist es in der Kristalltechnik, insbesondere aber in der Technik der Halbleiter, z. B. des Germaniums, des Siliziums oder der halbleitenden intermetallischen Verbindungen üblich geworden, Kristalle von höchster Reinheit und möglichst fehlerfreiem Gitterbau dadurch herzustellen, daß man einen Stab des Ausgangsmaterials senkrecht an seinen Enden hält und durch diesen Stab eine Schmelzzone laufen läßt, die durch ihre Oberflächenspannung zusammengehalten wird und gegen den -einen Teil des Stabes durch eine Einschmelzzone und gegen den anderen Teil durch eine Erstarrungsfront abgegrenzt ist. Dieses Verfahren eignet sich besonders für die Bearbeitung solcher Materialien, die, wie Silizium, sehr reaktionsfreudig sind. In der Praxis wird nun meist der zu behandelnde Körper unter Vakuum durch eine feststehende, die Erhitzung bewirkende Induktionsspule geführt, so daß der Körper bewegt wird, die Schmelzzone aber in dem Wirkungsbereich der Induktionsspule räumlich festliegt.
Die Qualität des Gitterbaues und die gleichmäßige Stärke des aus der Schmelzzone anwachsenden Kristalles und insbesondere der Anteil der in der Schmelzzone vorhandenen Verunreinigungen, der in den Kristall an der Erstarrungsfront eingebaut worden ist, sind nun weitgehend von der Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalles an der Erstarrungsfront abhängig. Setzt man erstens voraus, daß der anwachsende Kristallteil mit der gleichen Geschwindigkeit von der Induktionsspule entfernt wird, mit der er an der Erstarrungsfront weiterwächst, daß zweitens die an der Erstarrungsfront vorhandenen Temperaturverhältnisse konstant bleiben und daß drittens von dem abschmelzenden Kristallteil an der Einschmelzfront in der Zeiteinheit die gleiche Menge Kristallmaterial abschmilzt, die an der Erstarrungsfront wieder anwächst, so wird die Wachstumsgeschwindigkeit stets gleichbleiben. Da aber sowohl die Konstanz der heizenden Energiequelle durch Schwankungen beeinträchtigt wird als auch die Wärmeabstrahlungsverhältnisse sich fortlaufend ändern und da auch der abschmelzende Teil des Körpers an der Einschmelzfront nicht immer den gleichen Querschnitt hat, so sind die zweite und die dritte der oben angeführten Voraussetzungen nicht immer gegeben. Die Wachstumsgeschwindigkeit an der Erstarrungsfront ändert sich andauernd und mit ihr nicht nur der Durchmesser, sondern auch die Verunreinigungskonzentration in dem anwachsenden Kristallteil. Um einen homogenen Kristall mit überall gleichen Eigenschaften zu ziehen, muß also überall die gleiche Verunreinigungskonzentration vorliegen. Da nun die Breite der Schmelzzone an der Erstarrungsfront, genauer gesagt, die Neigung der Tangente an die Profilkurve der Schmelzzone an der Grenze flüssig-fest der Erstarrungsfront die Wachstumsbedingungen des Kristalles bestimmt, ist es für die Erzielung gut gewachsener Kristalle wichtig, die Breite der Schmelzzone möglichst konstant zu halten. Die Breite hängt nun von der Menge des flüssigen Materials in der Schmelzzone ab, die durch Schwerkraft geformt wird. Die Menge des flüssigen Materials ist aber wiederum abhängig von der Heizleistung. Die Erfindung offenbart nun ein Verfahren, das es gestattet, unter Ausnutzung dieser Abhängigkeiten selbsttätig einen Kristall unter an allen Stellen gleichen Wachstumsbedingungen zu ziehen.
Dieses Verfahren zum Konstanthalten der Breite der Schmelzzone beim tiegelfreien Zonenschmelzen von festen Körpern in senkrechter Richtung, insbesondere beim Ziehen von Halbleitereinkristallen, bei dem durch senkrechte Bewegung des Körpers die Schmelzzone mit flüssigem Material zwischen einer Einschmelz- und einer Erstarrungsfront derart durch den Körper wandert, daß sie räumlich festliegt, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung für die Schmelzzone durch von einer Seitenkante der Schmelzzone und von einer Schlitzblende begrenzte Lichtstrahlen, die in photoelektrischen Empfängern Spannungen oder Ströme bewirken, gesteuert wird.
Die Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens kann erfindungsgemäß derart ausgebildet sein, daß zwei jeweils tangential von der Schmelzzone und von zwei Schlitzblenden begrenzte Lichtstrahlen vorgesehen sind, von denen der eine im Normalzustand die maximale Breite der Schmelzzone festlegt, während der andere im Normalzustand unterbrochen ist und die minimale Breite der Schmelzzone festlegt. Dabei kann zugleich der Rand der Schmelzzone als Lichtquelle für die Lichtstrahlen dienen, so daß zusätzliche Lichtquellen nicht erforderlich sind. Es ist günstig, planparallele Schlitzblenden derart anzuordnen, daß der dadurch begrenzte Lichtstrahl den Rand der Schmelzzone tangierend berührt.
Besonders empfindlich ist das Verfahren dann, wenn die Blenden so liegen, daß--die Lichtstrahlen nahe an der Erstarrungsfront vorbeigehen, da, wie oben dargelegt, gerade die Verhältnisse in diesem Teil der Schmelzzone die Wachstumsbedingungen besonders stark beeinflussen.
Eine weitere Verfeinerung des,Verfahrens wird erzielt, wenn man jeweils.zwei um:9!fl° gekreuzte Schlitzblenden vorsieht: Dadurch kann man die zur Beobachtung vorgeseherien Teile des Randes der flüssigen Zone- noch besser abgrenzen. Ordnet man .darüber hinaus . die Blenden noch derart beweglich an, daß sie sich parallel zu ihren Schlitzen verschieben, und daß sie drehbar sind, so kann man das Blendensystem leicht den jeweils erforderlichen Gelegenheiten anpassen.
Die Figuren zeigen in zum Teil schematischer Darstellung Beispiele für Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einem stabförmigen Körper dargestellt, der in Richtung des Pfeiles durch eine Hochfrequenzspule geführt wird, die der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist und die in dem Körper eine geschmolzene Zone 1 erzeugt. In diese Zone 1 schmilzt fortlaufend aus dem Teil 2 des festen Körpers Material nach, während an der Erstarrungsfront 3 an den Teil 4 des festen' Körpers in gleichem Maße Material anwächst. Mit 5 und 6 sind in Fig. 1 und 2 zwei. Lichtstrahlen bezeichnet, die von den wellen 7 und 8 ausgehen und auf zwei lichtempfindliche Empfänger 9 und 10 gerichtet sind. Der Licht-#,trahl 5 ist streifend an dem einen Rand der flüssigen Zone vorbeigeführt und leuchtet den Empfänger 9 im Normalzustand andauernd und vollständig aus. Wird nun die geschmolzene Menge vergrößert, so vergrößert sich auch der Durchmesser der geschmolzenen Zone von der betrachteten Stelle, und der Empfänger 9 wird nur noch teilweise oder gar nicht mehr ausgeleuchtet. Diese Schwankung äußert sich in dem von dem Empfänger 9 abgegebenen Signal, und dadurch kann eine Verminderung der Heizleistung eingestellt werden, wodurch sich auch die Masse des geschmolzenen Materials und damit der Durchmesser der flüssigen Zone vermindert, so daß der Empfänger 9 wieder voll ausgeleuchtet wird. In entgegengesetztem Sinne wirkt eine teilweise oder vollkommene Ausleuchtung des Empfängers 10, der im Normalzustand nicht ausgeleuchtet ist. Diese Ausleuchtung tritt erst ein, wenn sich der Durchmesser der geschmolzenen Zone vermindert und dadurch den i. der Weg zu dem Empfänger 10 ganz öder teilweise geöffnet. wird.
In Ei-. 3 ist mit 11 und 12 je ein Paar Schlitz-1>lenden bezeichnet, die senkrecht zur Papierebene hintereinanderliegen und durch die der nunmehr auch als Lichtquelle dienende Rand 13 und 14 der flüssigen. Zone von zwei Empfängern in gleicher Weise, wie bei Fig. 2 die Lichtquellen 7 und 8, beobachtet wird.
In Fig. 4 sind mit 15 und 16 zwei Punkte der Grenze zwischen der festen und der flüssigen Phase an der Erstarrungsfront 17 bezeichnet,, deren Umgebung in Richtung auf die flüssige Zone 18 für die Beobachtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders geeignet ist. Bei der Verwendung von Schlitzblendenpaaren wird man diese mit Vorteil so neigen, daß bei dem einen Blendenpaar die Tangente 19 in Flucht mit den beiden dem Körper zugewandten Kanten der Schlitze ist, während die Tangente 20 in Flucht mit den beiden dem Körper abgewandten Kanten der Schlitze 1 ist. Das der Tangente 19 zugeordnete Blendenpaar würde dann in seiner Funktion dem Blendenpaar 11 in Fig. 3 entsprechen, während das der Tangente 20 zugeordnete Blendenpaar die Funktion des Blendenpaares 12 ausüben würde.
In Fig. 5 ist ein Blendenpaar 21 dargestellt, dem um 90° versetzt ein zweites Blendenpaar 22 zugeordnet ist, womit die öffnung der Blende auf das Viereck 23 beschränkt wird. Die Anwendung eines solchen doppelten Blendenpaares ist in Fig. 6 für den Punkt 24 dargestellt, wobei mit 25 die Tangente an den Rand der flüssigen Phase in Punkt 24 bezeichnet ist. Die Tangente 25 liegt der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht an einem der Ränder des Blendenpaares 21, sondern ist abweichend in der Mitte liegend dargestellt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Konstanthalten der Breite der Schmelzzone beim tiegelfreien Zonenschmelzen von festen Körpern in senkrechter Richtung, insbesondere beim Ziehen von Halbleitereinkristallen, bei dem durch senkrechte Bewegung des Körpers die Schmelzzone mit flüssigem Material zwischen einer Einschmelz- und einer Erstarrungsfront derart durch den Körper wandert, daß sie räumlich festliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung für die Schmelzzone durch von einer Seitenkante der Schmelzzone und von einer Schlitzblende begrenzte Lichtstrahlen, die in fotoelektrischen Empfängern Spannungen oder Ströme bewirken, gesteuert wird.
2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei jeweils tangential von der Schmelzzone und von zwei Schlitzblenden begrenzte Lichtstrahlen vorgesehen sind, von denen der .eine im Normalzustand die maximale Breite der Schmelzzone festlegt, während der andere im Normalzustand unterbrochen ist und die minimale Breite der flüssigen Zone festlegt (Fig. 2 und 3).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, . dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle für die Lichtstrahlen der Rand der Schmelzzone dient.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die planparallelen Schlitzblenden (12) derart angeordnet sind, daß der dadurch begrenzte Lichtstrahl den Rand der Schmelzzone tangential berührt (Fig. 3).
5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden derart, angebracht sind, daß die Lichtstrahlen nahe an der Erstarrungsfront vorbeigehen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei um etwa 90° gekreuzte Schlitzblenden (21, 22) vorgesehen sind.