DE1132097B - Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen aus einer Schmelze - Google Patents

Description

Halbleitereinkristall für Transistoren und sonstige Halbleiteranordnungen sollen neben einem regelmäßigen Kristallwachstum vor allem einen gleichförmigen spezifischen Widerstand sowie einen gleichförmigen Unreinheitsgehalt über den gesamten Halbleiterkörper besitzen. Das elektrische Verhalten und die Brauchbarkeit von aus derartigen Halbleitern hergestellten Halbleiteranordnungen (Transistoren, Dioden usw.) hängt weitgehend von diesen drei Faktoren ab.

Der Erzielung dieser Eigenschaften mit den erforderlichen äußerst engen Toleranzen stellen sich bei der Herstellung im fabrikatorischen Maßstab erhebliche Schwierigkeiten entgegen, die im wesentlichen auf folgenden Ursachen beruhen: Für die fabrikatorische Herstellung ist nur ein kontinuierliches Verfahren geeignet, da nur auf diesem Wege der verhältnismäßig große Bedarf an derartigen Halbleiterkörpern in wirtschaftlicher Weise gedeckt werden kann; ein derartiger kontinuierlicher Betrieb ist jedoch mit dem grundsätzlichen Nachteil behaftet, daß kontinuierliche Materialzugabe während des Ziehprozesses erforderlich ist; die Ziehstelle, an welcher ständig Material aus dem Schmelzbad entnommen wird, und die Stelle, an welcher neues Kristallmaterial zur Nachfüllung der Schmelze zugegeben wird, sind bezüglich der Strömungs- und der Temperaturverteilung in der Schmelze nicht im Gleichgewicht; insbesondere wird das thermische Gleichgewicht und die Gleichmäßigkeit des Kristall-Wachstums gestört.

Es ist bekannt, den Kristallkörper aus dem Mittelpunkt einer flachen Schmelze, welcher außermittig Material zugegeben wird, zu ziehen. Es ist auch bekannt, aus einer Schmelze, die während des Ziehens gedreht wird, in der Mitte einen Kristallkörper zu ziehen und außermittig Kristallmaterial in fester Form, beispielsweise in Stangenform, nachzuführen. Hierbei wird die Schmelze vom Umfange her geheizt.

Es ist schließlich eine Ziehvorrichtung dieser Art mit in der Mitte liegender Ziehstelle und außermittiger Zugabe sowie Heizung des Schmelztiegels vom Umfange her bekannt, bei welcher weiterhin das Schmelzbad durch einen in den äußeren größeren Schmelztiegel konzentrisch zu diesem eingesetzten kleineren Schmelztiegel in zwei miteinander kommunizierende Teilbäder unterteilt ist. Auch diese Vorrichtung wird beim Ziehen gedreht. Man hat dabei aber eine verhältnismäßig großvolumige Schmelze gewählt, insbesondere die Schmelztiegel verhältnismäßig tief ausgebildet, in der Absicht, dadurch die Temperaturgradienten in dem Schmelztiegel und die Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen
aus einer Schmelze

Anmelder:

Philco Corporation,
Philadelphia, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. C. Wallach, Patentanwalt,
München 2, Kaufinger Str. 8

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 9. April 1958 (Nr. 727 441)

Richard Boyer Dunkle, Ambler, Pa. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Temperaturänderungen an dem Punkt, in welchem der Kristall gezogen wird, durch die große Masse der Schmelze möglichst herabzusetzen. Aber auch damit konnte man nicht zu Kristallen mit einheitlichem spezifischem Widerstand kommen.

Diese Schwierigkeiten konnten bei einer Vorrichtung zum Ziehen von kristallinem Material, insbesondere von Halbleiterkristallen, aus einem von seinem äußeren Umfang her heizbaren Schmelztiegel mit zwei durch Wandungen getrennten, jedoch miteinander kommunizierenden Schmelzbädern in Form eines mittleren Schmelzbades, aus dessen Mitte gezogen wird, und eines dieses konzentrisch umgebenden äußeren Schmelzbades, in welches festes Material nachgefüllt wird und das in bezug auf die in der Mitte gelegene Ziehstelle während des Ziehens gedreht wird, erfindungsgemäß dadurch überwunden werden, daß die konzentrischen Schmelzbäder flach und der Boden des Tiegels als dicke Scheibe ausgebildet sind.

Durch diese Kombination zweier konzentrisch angeordneter miteinander kommunizierender flacher Schmelzbäder mit einem Schmelztiegel, dessen Boden als massive Scheibe mit einer erheblichen Wärmekapazität ausgebildet ist, wird in einfacher Weise eine bisher in diesem Maße unbekannte thermische Stabilität der Schmelze, und zwar sowohl hinsichtlich zeitlicher Schwankungen als auch hinsichtlich lokaler Unterschiede zwischen den verschiedenen

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Bereichen innerhalb der Schmelze, erzielt, wobei ge- und den Schmelztiegel zentrisch angeordnet. Jede wisse restliche lokale Unterschiede, wie sie bezüglich dieser Wellen kann gedreht und auf- und abwärts der thermischen, strömungsmäßigen und der Unrein- bewegt werden. Am oberen Ende der unteren heitskonzentrationsverteilung bei außermittiger Zu- Welle 26 ist die Isolierscheibe 13 befestigt, während gäbe des festen Nachfüllmaterials in dem äußeren 5 die obere Welle 25 einen Kristallkeim 27 trägt, der Teilbad zwangsweise bestehen, von der in der Mitte an ihrem unteren Ende mittels eines Spannfutters 28 des mittleren Bades gelegenen Ziehstelle weitgehend gehalten wird.

abgeschirmt werden. Eine Drehung des Schmelztiegels in bezug auf den

Hierbei weist die Trennwandung vorteilhaft eine Keim (bei koaxialer Anordnung) ist oft erforderlich, Wärmeleitfähigkeit auf, die klein im Vergleich zu io in anderen Fällen jedoch muß eine derartige Dreder des geschmolzenen Materials ist. hung unterbleiben.

Schließlich ist es auch vorteilhaft, die relative Durch Zuführungsvorrichtungen, die zwei Ansatz-

Größe der beiden Teilbäder so zu wählen, daß die röhren 29 aufweisen, die von oben in die Kammer 11 Hauptmasse des geschmolzenen Materials jeweils in führen und in spitzen Winkeln zu den Wellen 25, 26 dem äußeren ringförmigen Bad vorliegt. Tiegel und 15 verlaufen, werden Stangen B aus dem Nachfüll-Trennwandung können dabei in einem Stück aus- material in den äußeren Ringraum eingeführt. Jede geführt sein. Einfüllröhre ist in ihrem oberen Teil mit einer

Die mit der Vorrichtung verbundenen Vorteile und Büchse 30 verschlossen, durch die eine Stange 31 geweiteren Einzelheiten ergeben sich aus der Beschrei- führt ist, welche die Stange B mittels eines Halters 32 bung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeich- 20 trägt. Diese Stangen werden allmählich abwärts benung; in dieser zeigt wegt, während die Welle 25 allmählich nach oben

Fig. 1 die Vorrichtung nach der Erfindung in geführt wird. Die Zuführungsteile 29, 31 sind vorsenkrechtem Mittelschnitt, zugsweise schief angeordnet, um eine Störung zwi-Fig. 2 einen waagerechten Schnitt längs der Linie 2-2 sehen den nach oben bzw. nach unten gehenden in Fig. 1, 25 Spannvorrichtungen 28 bzw. 32 selbst bei Verwen-Fig. 3 eine vergrößerte Schnittdarstellung allge- dung großer Spannfutter auszuschließen, wie sie beimein längs Linie 3-3 in Fig. 2. spielsweise zur Halterung von Stangenmaterial B mit Der Schmelztiegel 10 für die Germaniumschmelze großem oder unregelmäßigem Querschnitt erforderod. dgl. hat die Form einer dicken, massiven lieh sind.

Scheibe, die vorzugsweise aus einem hitzebestän- 30 Der in Fig. 2 und 3 dargestellte Schmelztiegel 10 digen Material, wie Graphit, dessen Wärmeleit- weist eine dicke, massive Scheibe 33 auf, an der in fähigkeit nennenswert, jedoch niedriger als die der einem Stück mit der Scheibe ein verhältnismäßig Schmelze selbst ist, besteht. Statt Graphit können niedriger ringförmiger Rand 34 am Umfang der in manchen Fällen auch andere Stoffe verwendet Scheibe und, konzentrisch hierzu in einem inneren werden; beispielsweise kann zur Herstellung von 35 Teil der Scheibe, eine gleichfalls niedrige ringförmige Siliziumkristallen ein scheibenförmiger Schmelztiegel Wand 35 vorgesehen sind. Die beiden Wände bilden verwendet werden, der aus einem Graphitgrund- eine äußere, ringförmige, flache Schmelzkammer 36 körper besteht, welcher mit einem Futter aus hoch- und eine innere, kreisförmige, etwas tiefere, aber gereinigtem Quarz überzogen ist. immer noch flache Ziehkammer 37. Die innere

Der Schmelztiegel ist drehbar in der Mitte des 40 Wand 35 weist zwei kleine, diametral einander gegenunteren Teiles 11 eines rohrförmigen, vertikalen überliegende Öffnungen 38 in der Nähe des Bodens 39 Schmelzofens 12 angeordnet, der vorzugsweise aus der äußeren Kammer und etwas oberhalb des Bohitzebeständigem Glas hergestellt ist. Der Schmelz- dens 40 der inneren Kammer auf. In einigen Fällen tiegel ist auf und mit einem wärmeisolierenden, ist der Durchmesser der Öffnungen 38 klein im Verschwer schmelzbaren Träger drehbar. Ihm ist eine 45 gleich zur Höhe des Walles 35, derart, daß die einzige, am Umfang angeordnete Heizvorrichtung Schmelze nur einwärts aus der äußeren ringförmigen zugeordnet, die an einem einzigen Punkt gesteuert Kammer in die innere Kammer fließen kann, und wird. Beispielsweise ist in der Zeichnung eine Induk- zwar in dem Maße, wie aus der inneren Kammer tionswindung 14 schematisch dargestellt, die das Material entzogen wird. Selbstverständlich müssen Schmelzrohr in der Nähe des Schmelztiegels kon- 5° die Durchtrittsöffnungen groß genug sein, um eine zentrisch umgibt und mittels Leitungen 15 mit elek- Strömung des Schmelzflusses durch sie unter Schwertrischem Strom versorgt wird. kraftwirkung infolge der zwischen den beiden flachen

Vorzugsweise ist die Induktionswindung 14, wie Schmelzbädern herrschenden geringen Niveauunterdargestellt, hohl ausgebildet und mit einer Eintritts- schiede zu gewährleisten.

öffnung 17 und einer Austrittsöffnung 18 für Kühl- 55 Um den Schmelzofen für den Betrieb vorzubereiwasser versehen. In ähnlicher Weise ist eine Küh- ten, werden die Büchsen 19 und 30 abgenommen, lung schematiseh für ein Verschlußteil 19 vorgesehen, Hierauf werden die Schmelzkammern 36 und/oder 37 das am oberen Ende des Schmelzrohrs 12 angeord- mit Germanium gefüllt. Dieses Material kann beinet ist und mit Ein- bzw. Austrittsöffnungen 20, 21 spielsweise Germanium mit einem geringen Prozentfür das Kühlmittel versehen ist; in entsprechender 60 gehalt an Antimon zur Donatorbildung im Fall der Weise hat ein weiteres Verschlußteil 22 am Boden Herstellung eines η-Halbleiters oder Germanium mit der Schmelzröhre Ein- bzw. Austrittsleitungen für Gallium zur Akzeptorbildung im Fall der Hersteldas Kühlmittel, die bei 23 bzw. 24 angedeutet sind. lung eines p-Halbleiters sein. In das Spannfutter 28 Die Verschlüsse 19, 22 dienen gleichzeitig als Buch- wird ein orientierter monokristalliner Kristallkeim 27 sen für eine Welle 25 zum Ziehen des Kristalls bzw. 65 eingesetzt; die Büchse 19 wird in die Röhre 12 einfür eine Trag- und Drehwelle 26 für den Schmelz- gesetzt; die Welle 25 wird so weit herabgelassen, daß tiegel; die Wellen sind von oben bzw. von unten in der Keim 27 in der Mitte unmittelbar oberhalb der das Schmelzrohr geführt und in bezug auf das Rohr Schmelztiegelkammer 37 gehalten wird. Sodann wer-

den an den Haltern 32 Stangen B aus hochgereinigtem polykristallinem Halbleitermaterial, beispielsweise Germanium, derart befestigt, daß sie in den Ansatzröhren 29 diametral gegenüberliegende Punkte der Schmelztiegelkammer 36 berühren. Diese Nachfüllstäbe können, je nach dem jeweils angewandten Verfahren hinsichtlich der Dauer der Aufeinanderfolge des Kristallziehens, entweder im wesentlichen frei von dem anfänglich in die Kammer 37 eingebrachten Unreinheitsmaterial sein oder geringe Mengen dieses Materials aufweisen.

Nun wird die Luft aus dem Rohr 12 mit Stickstoff herausgespült und ein inertes Gas, wie Wasserstoff und/oder Stickstoff, mittels Öffnungen in kontinuierlichem Strom durch das Rohr 12 geleitet.

Im normalen Betrieb des Schmelzofens muß über elektrische Regelvorrichtung 16 und die Leitungen 15 ein Wechselstrom durch die Spule 14 geleitet werden, wodurch in dem Schmelztiegel 10 ein Wechselstrom induziert wird. Dieser erwärmt den Umfang der Scheibe 33 und die unteren Teile der Stangen B werden verflüssigt. Die entstehende Schmelze füllt die ringförmige Kammer 36 und fließt unter der Wirkung der Schwerkraft durch die Öffnungen 38 in die Mittelkammer 37. In dem Maße, wie die Mittelkammer sich mit Schmelze füllt, verschmilzt das untere Ende des monokristallinen Keims 27 mit dieser Schmelze. Mittlerweile wird der Tiegel 10 gedreht und der Stangenhalter 32 bei Aufwärtsbewegung des Keimhalters 28 nach unten bewegt. Demgemäß werden laufend Mengen neuer Schmelze, die sich an dem Keim 27 ansetzen, aus dem mittleren Schmelzbad 37 in zunehmend größere Höhen aufgezogen, wo sie erkalten und kristallisieren, wobei die an der Oberseite des mittleren Schmelzbades 37 herrschende Temperatur unterhalb der an der Oberseite des ringförmigen Schmelzbades 36 herrschenden liegt und genügend niedrig ist, daß die Schmelze zu erstarren beginnt. Da das gezogene Material nur mit dem monokristallinen Keim 27 in Berührung steht, hat das neugebildete Material C Einkristallstruktur.

Die Unreinheitsverteilung in dem Block C, sowohl hinsichtlich der axialen als auch hinsichtlich der radialen Abmessungen des Blockes, ist im wesentlichen so gleichförmig wie die Temperaturen an der Trennfläche / Schmelzekristall gleichförmig sind und solange in dem mittleren Schmelzbad 37 eine entsprechende Unreinheitskonzentration vorliegt. Dieses Bad kann einige Gramm Germanium enthalten, das beispielsweise mit 0,2 Milligramm bis 200 Milligramm Antimon oder ähnlich kleinen Mengen Gallium verunreinigt ist. In den meisten Fällen kann man aus einer derartigen Beschickung mit Unreinheitsmaterial, bei Nachfüllung von eigenleitfähigem oder sehr genau verunreinigtem Stangenmaterial, wenigstens einige Blöcke, beispielsweise im typischen Fall etwa drei bis fünf Blöcke von je 1200 Gramm, ziehen.

Nachdem eine solche Anzahl von Blöcken gezogen wurde, ist es im allgemeinen vorteilhaft, eine neue Beschickung mit Material von genau kontrolliertem Unreinheitsgehalt vorzunehmen, um beispielsweise die Gefahr einer allmählichen Anreicherung unerwünschter Unreinheitsarten auszuschließen.

Zur Erläuterung eines besonderen Ausführungsbeispiels dienen die folgenden zahlenmäßigen An- gaben, denen jedoch keine einschränkende Bedeutung zukommen soll; ein Schmelztiegel von etwa cm Durchmesser wird beispielsweise mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 1 Umdr./Min. gedreht und die Stangen B mit Geschwindigkeiten von einigen Millimetern oder Zentimetern pro Minute in Richtung nach unten zugeführt, der Kristall C mit einer Geschwindigkeit in der gleichen Größenordnung nach oben gezogen; die Zugabegeschwindigkeiten und die Ziehgeschwindigkeit können dabei je nach den Besonderheiten der Anordnung, der Art des Materials, der Anzahl und Größe der Stangen und der Größe des gewünschten Kristalls variieren. An der Trennfiäche / herrscht dabei eine Temperatur von etwa 958° C entsprechend der Schmelzbzw. Erstarrungstemperatur von Germanium; in dem äußeren ringförmigen Schmelzbad 36 außerhalb der Wandung 35 wird durch Induktionsheizung eine Temperatur beispielsweise in der Größenordnung von 1020° C aufrechterhalten.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung zum Ziehen von kristallinem Material, insbesondere von Halbleiterkristallen, aus einem von seinem äußeren Umfang her heizbaren Schmelztiegel mit zwei durch Wandungen getrennten, jedoch miteinander kommunizierenden Schmelzbädern in Form eines mittleren Schmelzbades, aus dessen Mitte gezogen wird, und eines dieses konzentrisch umgebenden äußeren Schmelzbades, in welches festes Material nachgefüllt wird und das in bezug auf die in der Mitte gelegene Ziehstelle während des Ziehens gedreht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrischen Schmelzbäder (36 bzw. 37) flach und der Boden (33) des Tiegels als dicke Scheibe ausgebildet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwandung (35) eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die klein im Vergleich zu der des geschmolzenen Materials ist.

3. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Größe der beiden Teilbäder (26 bzw. 37) so gewählt ist, daß die Hauptmasse des geschmolzenen Materials jeweils in dem äußeren ringförmigen Bad (36) vorliegt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel (10) als massive Schale (33) aus hitzebeständigem Material mit einem verhältnismäßig niedrigen äußeren Rand (34) und einer ebenfalls verhältnismäßig niedrigen, konzentrischen inneren Trennwandung (35), die in der Nähe des Bodens mit Öffnungen (38) versehen ist, ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schale (33) und die Trennwandung (35) in einem Stück ausgeführt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 1119 039: britische Patentschrift Nr. 784 617; USA.-Patentschrift Nr. 2 892739.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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