Verfahren zum Herstellen hochgereinigter einkristalliner Halbleiterstäbe
Es ist bekannt, hochgereinigte einkristalline Halbleiterstäbe, insbesondere aus
Silizium, mittels eines Keims durch Ziehen aus einer tiegellosen Schmelze herzustellen.
Hierbei ist unter »hochgereinigt« ein Halbleitermaterial zu verstehen, dessen Störstellenkonzentration
kleiner ist als die Entartungskonzentration.Process for the production of highly purified monocrystalline semiconductor rods
It is known to use highly purified monocrystalline semiconductor rods, in particular from
Silicon, produced from a crucible-free melt by pulling a seed.
Here, “highly purified” is to be understood as meaning a semiconductor material and its concentration of impurities
is smaller than the degeneracy concentration.
Es ist bereits zum Herstellen hochgereinigter einkristalliner Halbleiterstäbe
bekannt, eine hochreine gasförmige Verbindung des Halbleitermaterials auf der Oberfläche
einer tropfenförmigen, aus dem gleichen hochreinen Halbleitermaterial bestehenden
Schmelze niederzuschlagen. Diese Schmelze hängt an einem Halbleiterstab, an dem
beim Herausziehen aus der Reaktionszone das Halbleitermaterial aus der Schmelze
ankristallisiert. Zum Herstellen dünner Stäbe muß man bei diesem Verfahren also
bereits von einem dünnen Halbleiterstab ausgehen. Der Schmelztropfen ist dann aber
wegen seiner geringen Abmessungen stark von äußeren Einflüssen abhängig und das
Verfahren daher zur Herstellung gleichmäßiger und glatter Stäbe schlecht geeignet.It is already used to manufacture highly purified single crystal semiconductor rods
known, a high-purity gaseous compound of the semiconductor material on the surface
a teardrop-shaped one made of the same high-purity semiconductor material
Knock down melt. This melt is attached to a semiconductor rod on which
when pulling out of the reaction zone the semiconductor material from the melt
crystallized. In order to produce thin rods, one has to use this method
already assume a thin semiconductor rod. But then the melting drop is
Because of its small dimensions, it is heavily dependent on external influences and that
Processes therefore poorly suited for the production of uniform and smooth rods.
Es wurde gefunden, d'aß man hochgereinigte einkristalline Halbleiterstäbe,
insbesondere aus Silizium, mittels eines Keimes durch Ziehen aus einer tiegellosen
Schmelze herstellen kann, wobei der Durchmesser der Stäbe über ihre ganze Länge
so gleichmäßig ist, daß sie z. B. durch eine Abdichtung aus dem Reaktionsgefäß herausgezogen
werden können, wenn erfindungsgemäß auf dem geschmolzenen Teil eines als Träger
dienenden Halbleiterstabes in an sich bekannter Weise der durch Zersetzung einer
hochreinen gasförmigen Verbindung des halbleitenden Stoffes erhaltene Stoff niedergeschlagen
und in bekannter Weise ein im Vergleich zum Träger dünner Halbleiterstab daraus
gezogen wird. Es können dann sehr lange Stäbe ohne großen apparativen Aufwand hergestellt
werden.It was found that highly purified monocrystalline semiconductor rods,
in particular made of silicon, by means of a seed by pulling out of a crucible
Melt can produce, with the diameter of the rods over their entire length
is so even that it z. B. pulled out through a seal from the reaction vessel
can be, if according to the invention on the molten part as a carrier
Serving semiconductor rod in a known manner by the decomposition of a
high-purity gaseous compound of the semiconducting substance obtained material deposited
and in a known manner a semiconductor rod made therefrom which is thin compared to the carrier
is pulled. Very long rods can then be produced without a large outlay in terms of equipment
will.
Die Leitfähigkeit der Silizium- bzw. Germaniumstäbe, die auf diese
Weise hergestellt sind, beträgt wesentlich weniger als 1 Ohm -1 cm -1. Bei Zimmertemperatur
ist das Germanium eigenleitend bzw. liegt der spezifische Widerstand des Siliziums
über 10'= Ohm - cm.The conductivity of the silicon or germanium rods on this
Wise made is much less than 1 ohm -1 cm -1. At room temperature
is the germanium intrinsically conductive or is the specific resistance of the silicon
over 10 '= ohm - cm.
Das Verfahren gemäß der Erfindung hat außerdem den Vorteil, daß das
Verhältnis des Durchmessers des dicken, die Schmelze tragenden Stabes zu dem dünnen,
aus dieser Schmelze herausgezogenen Einkristallstab so groß ist, daß die Erstarrungsfront
praktisch eben ist und deshalb innere thermische Spannungen im gezogenen Kristall,
die die Kristallperfektion herabsetzen, vermieden werden. Beim Verfahren gemäß der
Erfindung wird also aus dem geschmolzenen Teil des als Träger dienenden Halbleiterstabes
ein Halbleiterstab abgezogen, dessen Querschnitt klein ist gegenüber der ihm zugewandten
Oberfläche der Schmelze. Die Ziehgeschwindigkeit wird dabei so gewählt, daß etwa
ebensoviel Halbleitermaterial an dem dünnen einkristallinen Halbleiterstab erstarrt,
wie sich durch thermische Zersetzung der hochreinen Verbindung an der Oberfläche
der Schmelzzone neu bildet. Diese Bedingung braucht nicht in jedem Augenblick erfüllt
zu sein; es kann sogar so sein, daß zeitweise merkliche Differenzen zwischen den
Mengen des Halbleitermaterials, die herausgezogen werden bzw. sich abscheiden, bestehen.
Entscheidend ist jedoch, daß die Menge des in einem Arbeitsgang gezogenen dünnen
Stabes wesentlich größer ist als die Menge der Schmelze zu Beginn des Arbeitsganges.
Dies wird durch die obenerwähnte Bedingung gewährleistet. Das Ziehen kann z. B.
auch nur absatzweise erfolgen, wobei in den Zeiten zwischen dem Ziehen Halbleitermaterial
abgeschieden werden kann.The method according to the invention also has the advantage that the
Ratio of the diameter of the thick rod carrying the melt to the thin rod
The single crystal rod pulled out of this melt is so large that the solidification front
is practically flat and therefore internal thermal stresses in the drawn crystal,
which reduce the crystal perfection, can be avoided. In the procedure according to
The invention is thus made from the melted part of the semiconductor rod serving as a carrier
a semiconductor rod is withdrawn, the cross section of which is small compared to that facing it
Surface of the melt. The pulling speed is chosen so that about
just as much semiconductor material solidifies on the thin monocrystalline semiconductor rod,
as is the case with thermal decomposition of the high-purity compound on the surface
re-forms the melting zone. This condition does not need to be met in every moment
to be; it can even be the case that at times there are noticeable differences between the
Quantities of the semiconductor material that are pulled out or deposited exist.
It is crucial, however, that the amount of thin drawn in one operation
Rod is much larger than the amount of melt at the beginning of the operation.
This is ensured by the condition mentioned above. The pulling can e.g. B.
also take place only intermittently, with semiconductor material in the times between the pulling
can be deposited.
Beim kontinuierlich durchgeführten Prozeß des Abscheidens und der
Einkristallherstellung wird der dünne Einkristallstab aus einer sich an dem Ende
eines dicken Stabes befindlichen Schmelze, die z. B. durch ihre Oberflächenspannung,
insbesondere jedoch zusätzlich durch ein Stützfeld, gehalten wird, gezogen. Es wird
ausgegangen von einem verhältnismäßig sehr dicken Halbleiterstab, dessen Durchmesser
insbesondere mindestens etwa 2 cm oder größer ist. Zu Beginn des Verfahrens taucht
in die Schmelze dieses Stabes ein dünnerer Einkristallkeim
ein,
der im Endzustand das Ende des aus der Schmelze gezogenen dünnen Einkristallstabes
darstellt. Das Verfahren des Ziehens eines Einkristalls aus der Schmelze ist an
sich bekannt. An der Berührungsstelle der beiden Stäbe wird das Halbleitermaterial
des dicken Stabes z. B. durch Hochfrequenz oder durch einen Lichtbogen geschmolzen,
so daß es annähernd in Halbkugelform geschmolzen auf dem dicken Stab ruht, wobei
der Einkristallkeim in die Schmelzzone eintaucht. Diese Anordnung befindet sich
in einer Atmosphäre, die eine gas- oder dampfförmige Verbindung des Halbleitermaterials
enthält, beispielsweise Siliziumtetrachlorid und Wasserstoff. An der Oberfläche
der Schmelzzone wird dann laufend Halbleitermaterial durch thermische Zersetzung
dieser Verbindung abgeschieden. Der Prozeß ist dabei so zu führen, daß die Abscheidung
überwiegend in der geschmolzenen Zone erfolgt. Das Gewinnen z. B. von Silizium durch
thermische Zersetzung einer Siliziumverbindung und Niederschlagen des Siliziums
auf einer Schmelze ist bereits bekannt. Der in die Schmelzzone eintauchende Einkristallkeim
bzw. dünne Einkristallstab wird nun mit einer solchen Geschwindigkeit aus der Schmelze
herausgezogen, daß etwa die abgeschiedene Menge des Halbleitermaterials gleich der
Menge des Halbleitermaterials ist, die am Keimkristall zur Kristallisation gebracht
wird. Diese Bedingung muß, wie oben dargelegt, während eines Arbeitsganges im wesentlichen
erfüllt sein. Hierdurch wird es ermöglicht, aus der am Ort feststehenden Schmelzkalotte
kontinuierlich einen dünnen Einkristallstab zu ziehen, der wesentlich mehr Material
als die Schmelzkalotte enthält. Der gezogene Einkristallstab wird dabei üblicherweise
während des Ziehens gedreht. Unter Umständen empfiehlt es sich, den unteren Teil
der Anordnung mit dem dicken Stab gegensinnig oder gleichsinnig mit entsprechend
abgestimmter Rotationsgeschwindigkeit zu drehen.In the continuously carried out process of the deposition and the
Single crystal production is the thin single crystal rod made from a stick at the end
a thick rod located melt z. B. by their surface tension,
in particular, however, is additionally held by a support field. It will
started from a relatively very thick semiconductor rod, the diameter of which
in particular is at least about 2 cm or larger. At the beginning of the procedure dives
a thinner single crystal nucleus into the melt of this rod
a,
which in the final state is the end of the thin single crystal rod pulled from the melt
represents. The process of pulling a single crystal from the melt is on
known. The semiconductor material is at the point of contact between the two rods
of the thick rod z. B. melted by high frequency or by an electric arc,
so that it rests melted on the thick rod in an approximately hemispherical shape, whereby
the single crystal seed dips into the melting zone. This arrangement is located
in an atmosphere that is a gaseous or vaporous compound of the semiconductor material
contains, for example silicon tetrachloride and hydrogen. On the surface
The melting zone then becomes continuously semiconductor material through thermal decomposition
this connection deposited. The process is to be carried out in such a way that the deposition
occurs predominantly in the molten zone. Winning z. B. of silicon
thermal decomposition of a silicon compound and deposition of silicon
on a melt is already known. The single crystal seed dipping into the melting zone
or a thin single crystal rod is now removed from the melt at such a speed
pulled out that approximately the deposited amount of semiconductor material equal to that
The amount of semiconductor material that crystallizes on the seed crystal
will. As set out above, this condition must essentially occur during an operation
be fulfilled. This makes it possible to use the melting cap that is fixed in place
continuously pulling a thin single crystal rod containing much more material
than the enamel dome contains. The drawn single crystal rod is usually used
rotated while dragging. It may be advisable to use the lower part
the arrangement with the thick rod in the opposite direction or in the same direction with accordingly
to rotate at a coordinated speed of rotation.
Das Verhältnis der Durchmesser des dicken und dünnen Halbleiterstabes
soll insbesondere so groß gewählt werden, daß die Erstarrungsfront im gezogenen
dünnen Stab praktisch eben ist. Wenn die Erstarrungsfront in einer Ebene senkrecht
zur Achse liegt, werden Störungen der Kristallausbildung, z. B. Verwerfungen od.
dgl., wesentlich herabgesetzt, weil innere thermisch bedingte Spannungen im Stab
weitgehend vermindert sind. Bei dem Verfahren kann die Schmelzzone durch ein elektromagnetisches
Feld gestützt werden, wodurch die Oberfläche des geschmolzenen Halbleitermaterials
vergrößert werden kann, so daß eine verhältnismäßig große Oberfläche die gewünschte
Zersetzungstemperatur hat und die abgeschiedene Menge des Halbleitermaterials vergrößert
wird. Die hier beschriebenen Arbeitsbedingungen geben das Maß dafür, wie dick der
aus der Schmelze gezogene Einkristall gemacht werden kann.The ratio of the diameter of the thick and thin semiconductor rod
should in particular be chosen so large that the solidification front in the drawn
thin rod is practically flat. When the solidification front is in a plane perpendicular
to the axis, disturbances of the crystal formation, z. B. dislocations od.
Like., significantly reduced, because internal thermally induced stresses in the rod
are largely reduced. In the process, the melting zone can be controlled by an electromagnetic
Field are supported, creating the surface of the molten semiconductor material
can be enlarged, so that a relatively large surface is the desired
Has decomposition temperature and the deposited amount of semiconductor material increases
will. The working conditions described here provide a measure of how thick the
single crystal pulled from the melt can be made.
Wenn das Verfahren einmal läuft, kann der dünne Stab entsprechend
dem Wachstum seiner Länge durch eine Abdichtung hindurch aus dem Reaktionsgefäß
herausgezogen werden. Es kann dann die Führung des Einkristallstabes außerhalb des
Reaktionsraumes liegen und dieser Teil des dünnen Einkristallstabes gekühlt werden.
Durch geeignete Beimengungen zu dem Reaktionsgas oder in sonst bekannter Weise,
z. B. durch Einbringen von Fremdstoffen in die Schmelze, kann zugleich jeder beliebige
Widerstand des Kristalls eingestellt und kontinuierlich oder diskontinuierlich verändert
werden. An Hand der Figur wird das Verfahren erläutert.Once the process is up and running, the thin rod can do the same
the growth of its length through a seal from the reaction vessel
be pulled out. It can then guide the single crystal rod outside of the
Reaction space are and this part of the thin single crystal rod are cooled.
By adding suitable admixtures to the reaction gas or in any other known manner,
z. B. by introducing foreign substances into the melt, anyone can at the same time
Resistance of the crystal adjusted and changed continuously or discontinuously
will. The method is explained with reference to the figure.
In das Reaktionsgefäß 1 sind eine Gaszuführung 9 und eine Gasableitung
8 eingelassen. Innerhalb dieses Gefäßes ist ein polykristalliner Stab 2 aus Halbleitermaterial
angebracht, an dessen oberem Ende sich die Schmelzzone 4, in die der Einkristallkeim
5 eintaucht, befindet. Aus dieser Schmelze, an der sich laufend das durch 8 eingeleitete
Gasgemisch, das eine gasförmige Halbleiterverbindung enthält und dem beispielsweise
dotierende Substanzen beigemengt sein können, zersetzt, wird der dünne Einkristallstab
3 gezogen. Die Dotierungssubstanzen können auch intermittierend dem Reaktionsgas
beigemengt werden, so daß sich während des Ziehens in dem Einkristallstab 3 p-n-übergänge
bilden. Die Heiz- und Stützfeldanordnung 6 besteht aus einer Heizdrahtwicklung 61
und der vom Hochfrequenzstrom durchflossenen Stützfeldspule 62. Statt dessen kann
jedoch auch mit Vorteil eine Hochfrequenzspule zur Heizung und Stützung verwendet
werden, die durch ihre Anordnung und durch Wahl der Hochfrequenz die Schmelze erzeugt
und durch den radialen Druck, den das Spulenfeld auf das Schmelzgut ausübt, ein.
Abtropfen verhindert. Die Induktionsheiz- und/oder Stützfeldspule kann auch außerhalb
des Reaktionsgefäßes angeordnet sein; hierbei umschließt dann das Gefäß zweckmäßig
eng den Halbleiterstab. Die Technik des Stützfeldes erlaubt die Erzeugung von so
glatten zylindrischen Stäben, daß diese durch eine in der Figur nur schematisch
angedeutete Dichtungsmuffe 12, gegebenenfalls durch mehrere Dichtungsmuffen, mit
Vorkammern geführt werden können. Die Verlegung der mechanischen Führung außerhalb
des Reaktionsraumes ermöglicht eine verhältnismäßig sehr einfache Ausführung eines
kontinuierlichen Antriebs, etwa in der Form, daß an dem Halbleiterstab zwei Rollenpaare
10 und 11 aus einem Kunststoff geeigneter Elastizität angreifen, welche den Kristall
in Rotation versetzen und gleichzeitig herausführen. Wird die Achse des Rollenpaares
11 nicht parallel zur Achse des Einkristallstabes gehalten, sondern leicht dagegen
geneigt, so kann auch ohne das Rollenpaar 10 ein Vorschub des Stabes erzielt werden,
welcher der Abscheidungsgeschwindigkeit des Halbleitermaterials in der Reaktionszone
möglichst gut angepaßt ist, um den Schmelzprozeß kontinuierlich ohne Nachstellung
durchführen zu können. Da die Vorschubgeschwindigkeit gegenüber der Rotationsgeschwindigkeit
klein ist, kann von einer Neigung der Antriebsrollen 11 für die Rotation auch abgesehen
und der Vorschub durch die in axialer Richtung wirkenden Rollen 10 bewirkt werden.
Zur Schonung der Muffen und Rollen ist eine Kühleinrichtung 7 vorgesehen.In the reaction vessel 1 are a gas feed 9 and a gas discharge line
8 recessed. Inside this vessel is a polycrystalline rod 2 made of semiconductor material
attached, at the upper end of the melting zone 4, in which the single crystal nucleus
5 is immersed. From this melt, to which the 8 introduced continuously
Gas mixture that contains a gaseous semiconductor compound and the example
doping substances can be added, decomposed, becomes the thin single crystal rod
3 drawn. The doping substances can also be added to the reaction gas intermittently
are added so that during the pulling in the single crystal rod 3 p-n junctions
form. The heating and supporting field arrangement 6 consists of a heating wire winding 61
and the supporting field coil 62 through which the high-frequency current flows. Instead, it can
however, a high-frequency coil is also used to advantage for heating and support
which generates the melt through their arrangement and through the choice of high frequency
and by the radial pressure exerted by the coil field on the material to be melted.
Prevents dripping. The induction heating and / or support field coil can also outside
be arranged of the reaction vessel; this then appropriately encloses the vessel
closely the semiconductor rod. The technique of the support field allows the creation of such
smooth cylindrical rods that this by one in the figure only schematically
indicated sealing sleeve 12, optionally by several sealing sleeves, with
Antechamber can be performed. Laying the mechanical guide outside
of the reaction chamber enables a relatively very simple implementation of a
continuous drive, approximately in the form that two pairs of rollers on the semiconductor rod
10 and 11 attack from a plastic of suitable elasticity, which the crystal
set in rotation and lead out at the same time. Becomes the axis of the pair of rollers
11 not held parallel to the axis of the single crystal rod, but slightly against it
inclined, a feed of the rod can be achieved even without the pair of rollers 10,
which is the rate of deposition of the semiconductor material in the reaction zone
Is adapted as well as possible to the melting process continuously without readjustment
to be able to perform. Because the feed rate versus the rotation speed
is small, the drive rollers 11 may also be inclined to rotate
and the feed can be brought about by the rollers 10 acting in the axial direction.
A cooling device 7 is provided to protect the sleeves and rollers.
Da das Gasgemisch, aus dem die Abscheidung des Halbleitermaterials
erfolgt, laufend erneuert wird und das abgeschiedene Halbleitermaterial, das bereits
Einkristallform hat, laufend entfernt wird, erlaubt dieses Verfahren die kontinuierliche
Herstellung beliebig langer dünner Halbleiterstäbe, von denen jeweils jenseits der
mechanischen Führung die fertigen Stücke abgeschnitten werden können.Because the gas mixture from which the deposition of the semiconductor material
takes place, is constantly renewed and the deposited semiconductor material is already
Has single crystal form, is continuously removed, this method allows the continuous
Production of thin semiconductor rods of any length, each of which is beyond the
mechanical guide the finished pieces can be cut off.