DE1134967B - Verfahren zum Ziehen eines stabfoermigen kristallinen Halbleiterkoerpers - Google Patents

Description

Für elektrotechnische Zwecke werden Halbleiter-Einkristalle mit einer Folge von Zonen mit verschiedenem Leitungscharakter benötigt, z. B. p-n-p- oder n-p-n-Kristalle, die für Transistoren verwendet werden können. Derartige Kristalle bestehen bekanntlich aus einem einheitlichen Grundstoff, wie Germanium, Silizium oder einer halbleitenden Verbindung von Elementen der III. und V. bzw. der II. und VL Gruppe des Periodischen Systems, Der verschiedene Leitungscharakter der einzelnen Teile eines Kristalls beruht auf dem Verhältnis ihres Gehalts an verschiedenartigen Zusatzstoffen, Donatoren und Akzeptoren, welche n- bzw. p-Leitfähigkeit verursachen, je nachdem, welche der beiden Zusatzstoff arten in größerer Menge im Grundstoff enthalten ist.

Zum Ziehen eines p-n-p-Einkristalls aus der Schmelze z. B. eines p-leitenden Germaniums muß diese während des Ziehvorganges zweimal umdotiert werden. Zu diesem Zwecke kann bekanntlich nach Herstellung einer p-Zone dem flüssigen, p-leitenden Germanium Donatorstoff, z. B. Antimon, in einem solchen Mengenverhältnis hinzugefügt werden, daß ihr Anteil im festen Stoff denjenigen der Akzeptoren überwiegt, und nachdem damit eine η-Zone gezogen ist, kann Akzeptorstoff, z. B. Gallium, in einem entsprechend höheren Verhältnis zugesetzt werden, so daß beim weiteren Ziehen wieder eine p-Zone entsteht. Der Zusatzstoffgehalt der Schmelze und damit ihre Leitfähigkeit nehmen durch die wiederholten Umdotierungen progressiv zu. Somit ist die Anzahl der möglichen Umdotierungen begrenzt. Demgegenüber beruht die Erfindung auf dem Gedanken, nach Fertigstellung einer Zone eine Zunahme der Leitfähigkeit der nächsten Zone dadurch zu vermeiden, daß die flüssige Schmelze bezüglich ihres Gehalts an Zusatzstoffen wieder verdünnt wird.

Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zum Ziehen eines stabförmigen kristallinen Halbleiterkörpers mit einer Folge von Zonen voneinander verschiedener Leitfähigkeit aus einem Schmelztiegel, der nach einem früheren, nicht vorveröffentlichten Vorschlag wesentlich weniger Schmelze enthält, als dem fertigen Schmelzformling entspricht. Erfindungsgemäß wird im Anschluß an die Herstellung einer durch Dotierung mit Störstellen durchsetzten Zone des Schmelzlings aus der im Tiegel verbliebenen Schmelze ein weiterer Stab (Hilfsschmelzling) gezogen und dann der Tiegel mit frischem, gegebenenfalls anders dotiertem Material gefüllt.

Die Erfindung ermöglicht das Ziehen eines Halbleiterkristalls mit einer Folge von Zonen verschiedenen Leitungscharakters, deren Leitfähigkeit nicht Verfahren zum Ziehen eines Stabförmigen
kristallinen Halbleiterkörpers

Anmelder:
Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr. Hans Schweickert, Pretzfeld,
ist als Erfinder genannt worden

monoton zunimmt, sondern beliebig abgestuft werden kann.

Da dieser Hilfsschmelzling nicht einkristallin zu wachsen braucht, kann seine Ziehgeschwindigkeit so groß gemacht werden, wie es die Oberflächenspannung der Schmelze zuläßt. Dadurch kann — zumal bei Vermeidung der sonst üblichen Drehbewegung des Schmelzlings — ein verhältnismäßig hoher Verteilungskoeffizient erzielt und damit die überwiegende Menge des Zusatzstoffes aus der Schmelze herausgezogen werden. Der verbleibende Resttropfen an flüssigem Material wird durch Nachschub von neuem geeignetem Vorratsmaterial bezüglich seines Gehalts an Zusatzstoffen verdünnt, und damit wird das Ziehen einer neuen Zone des einkristaUinen Nutzschmelzlings von unter Umständen sogar geringerer Leitfähigkeit als die vorangegangene möglich gemacht.

Auf diese Weise kann also auch eine Umdotierung mit verhältnismäßig geringem Aufwand vorgenommen und beliebig oft wiederholt werden, so daß also auch die Herstellung eines Halbleiters mit einer unbegrenzten Folge von Zonen verschiedenen Leitungscharakters ermöglicht wird. Für die verschiedenen Zusatzstoffe können mehrere Hilfsschmelzlinge vorgesehen sein, die abwechselnd zur Entleerung des Schmelztiegels verwendet werden in der Weise, daß jeder nur eine Art Zusatzstoff aufnimmt.

Das Verfahren kann mit besonderem Vorteil so durchgeführt werden, daß der Nutzschmelzling nach unten abgezogen und das neue Material von oben zugeführt wird. Das letztere kann beispielsweise in körniger, insbesondere feinkörniger Form oder in Gestalt eines gesinterten oder geschmolzenen Stabes zuge-

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führt werden. Es können auch mehrere Vorratsstäbe, die von vornherein verschieden dotiert sind, abwechselnd zur Herstellung einer Zone des Nutzschmelzlings verwendet werden.

In der Zeichnung ist eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung dargestellt. Am Boden eines Tiegels 11, der eine geringe Menge des zu verarbeitenden Materials in flüssigem Zustande enthält, befindet sich eine Austrittsöffnung, aus der das flüssige Material nach unten austritt. Unterhalb der Öffnung ist ein fertiger Teil 12 des Nutzschmelzlings dargestellt, der an seinem unteren Ende in einer Halterung 13 befestigt ist. Die Halterung 13 ist in Achsrichtung des Schmelzlings beweglich, so daß mit ihrer Hufe der Schmelzung allmählich nach unten abgezogen werden kann. Das hat zur Folge, daß der zwischen dem oberen Ende des Teils 12 und dem Tiegelll befindliche Tropfen 10 der Schmelze allmählich von unten nach oben fortschreitend erkaltet und erstarrt, so daß der Schmelzung 12 (nach oben) wächst. Zur Ausführung der Ziehbewegung dient ein Getriebe 44, welches von zwei Antriebsmotoren 46, von denen in der Zeichnung nur einer zu sehen ist, auf die Welle 43 eine Bewegung in Achsrichtung und unabhängig davon eine Umlaufbewegung übertragen kann, die unter anderem zum Umrühren der Schmelze dient. Das Getriebe 44 ist an einer stählernen Grundplatte 30 befestigt, durch welche die Welle 43 vakuumdicht hindurchgefühlt ist. Auf der Grundplatte 30 ist ein Gestell 18 angebracht, an welchem eine Halterung 20 für den Tiegel 11 befestigt ist. Eine ringförmige Heizeinrichtung 17 umgibt den Tiegel 11 an seinem unteren Ende. Die Heizeinrichtung 17 ist ebenfalls an dem Gestell 18 befestigt. Von ihr führen Stromzüleitungen36 über Durchführungsisolatoren37, die vakuumdicht in die Grundplatte 30 eingelassen sind, zu einem regelbaren Heiztransformator, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist.

Die ganze Vorrichtung ist von einer Stahlhaube 33 einer durch die Stimwandung der Haube 33 vakuumdicht hindurchgeführten Stange 49 befestigt ist. Mit ihr können die darin vorher untergebrachten, zur Dotierung bestimmten Zusatzstoffe jeweils in vorbestimmter Menge, z. B. in Form eines oder mehrerer Körner, nach einem gewünschten Dotierungsprogramm in den Tiegel 11 befördert werden. Die dazu erforderliche Drehung um jeweils einen kleinen Winkel kann mittels der Stange 53 in den durch das Dotierungsprogramm festgelegten Zeitabständen von Hand erfolgen oder selbsttätig mittels eines geeigneten Kupplungsgetriebes oder selbsttätig geregelten elektrischen Antriebes in Abhängigkeit vom Ziehvorgang herbeigeführt werden.

Mit der beschriebenen Vorrichtung wird wie folgt verfahren: Sobald beispielsweise eine p-Zone am oberen Ende des Nutzschmelzlings: 12 hergestellt ist, wird der Vorratsstab 14 aus dem Tiegel herausgezogen und statt dessen der Hilfsschmelzling 64 hineingesenkt, bis seine untere Kuppe mit der Schmelzflüssigkeit in Berührung kommt. Dann wird er verhältnismäßig schnell nach oben wieder herausgezogen und nimmt dabei die im Schmelztiegel 11 enthaltene Schmelze, die an ihm haftenbleibt, mit sich nach oben, wo sie erstarrt. Es bleibt im wesentlichen nur der Tropfen 10 von der Schmelzflüssigkeit zurück. Wird nun der Vorratsstab 14, der keinerlei störstellenbildende Zusatzstoffe enthalten möge, wieder in den Tiegel 11 eingeführt und von ihm etwa die 9fache Menge des Tropfens 10 abgeschmolzen, so tritt dadurch eine Verdünnung ein, indem der Gehalt an Zusatzstoffen der gesamten nunmehr vorhandenen Schmelze auf V10 abgesenkt wird. Dementsprechend hat die Schmelze auch eine verminderte Leitfähigkeit. Sie kann nun mit Donatorstoff aus der Dotierungseinrichtung versetzt werden, beispielsweise in solchem Maße, daß eine η-Zone gezogen werden kann, deren Leitfähigkeit nicht höher ist als die Leitfähigkeit der vorher gezogenen p-Zone. Im Anschluß hieran kann

45 gezogen und eine Umdotierung in entgegengesetztem Sinne vorgenommen werden. Die abwechselnde Umdotierung kann beliebig oft wiederholt werden. Es können auch mehrere Zonen gleichen Leitungscharakters, aber von verschieden hoher Leitfähigkeit unmittelbar nacheinander gezogen werden. Ferner können zwischen Zonen gleichen oder verschiedenen Leitungscharakters, bei denen also entweder die

umschlossen, die auf die Grundplatte 30 vakuumdicht 40 die dotierte Schmelze wieder mittels des Hilf sschmelzaufgesetzt und mit einem Beobachtungsfenster 35 ver- lings, wie schon beschrieben, aus dem Tiegel heraussehen ist. Die Grundplatte 30 hat einen Stutzen 34 zum Anschluß einer Vakuumpumpe oder eines Vorratsbehälters mit Schutzgas. An der Grundplatte 30 befindet sich ferner eine Stellbuchse 40, mit der die ganze Vorrichtung an einer Stativsäule 41 verschiebbar befestigt ist. Das untere Ende der Säule 41 ist in ein Fußgestell 42 eingelassen. Die Antriebsmotoren 46 können mittels Stellbuchsen 47 an der Stativsäule

41 befestigt sein. 50 Donatoren oder die Akzeptoren überwiegen, solche

Dem Tiegel 11 wird von oben her Vorratsmaterial Zonen, in denen sich beide Arten von Zusatzstoffen in Form eines Stabes 14 zugeführt, der in einer Halte- etwa die Waage halten, hergestellt werden. Eine gerung 15 hängt. Ferner ist ein Hilfsschmelzling 64, in wünschte Folge von Zonen kann durch entsprechende einer Halterung 65 hängend, über dem Tiegel 11 an- programmäßige Beschickung der Dotierungseinrichgebracht. Die Halterungen 15 und 65 sind an einer 55 rung 50 festgelegt werden. Drehscheibe 22 angebracht, deren Welle 45 durch die Haube 33 vakuumdicht hindurchgeführt ist und durch ein Getriebe 44 sowohl mittels eines entsprechenden, in der Zeichnung weggelassenen Hilfsmotors in Achsrichtung bewegt als auch unabhängig davon so gedreht werden kann, daß nach Bedarf der Hilfsschmelzling 64 oder der Vorratsstab 14 in seine Gebrauchslage genau senkrecht über dem Tiegel 11 ge-

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE: 60 langt. Bei Verwendung mehrerer Hilfsschmelzlinge oder/und mehrerer Vorratsstäbe können diese ebenfalls an der Drehscheibe 22 gehaltert sein. Zur Dotierung der Schmelze mit Zusatzstoffen ist eine Dotierungseinrichtung 50 vorgesehen, die an

1. Verfahren zum Ziehen eines stabförmigen kristallinen Halbleiterkörpers mit einer Folge von Zonen voneinander verschiedener Leitfähigkeit aus einem Schmelztiegel, der wesentlich weniger Schmelze enthält, als dem fertigen Schmelzformling entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an die Herstellung einer durch Dotierung mit Störstellen durchsetzten Zone des Schmelzlings (12) aus der im Tiegel verbliebenen

Schmelze ein weiterer Stab (64) gezogen und dann der Tiegel mit frischem, gegebenenfalls anders dotiertem Material gefüllt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nutzschmelzling (12) nach unten und der Hilfsschmelzling (64) nach oben abgezogen und frisches Material (14) von oben zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsschmelzling mit höherer Geschwindigkeit gezogen wird als der Nutzschmelzling.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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