DE1150947B

DE1150947B - Vorrichtung zum Ziehen von Halbleiter-kristallen aus einer Schmelze

Info

Publication number: DE1150947B
Application number: DES71717A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Rudolf Kappelmeyer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1960-12-19
Filing date: 1960-12-19
Publication date: 1963-07-04

Description

Vorrichtung zum Ziehen von Halbleiterkristallen aus einer Schmelze Zur Beheizung einer Schmelze ist bereits ein Schmelzgefäß bekannt, das durch mindestens einen mit Hochfrequenz gespeisten Leiter erhitzt wird, der eine das Schmelzgefäß umschließende, geschlossene Stromschleife darstellt und aus zwei zueinander konzentrisch verlaufenden, über einen radialen Schlitz miteinander verbundenen kreisförmigen Teilen besteht. Es ist ferner bekannt, einen Schmelztiegel während des Betriebes zu kühlen und außerdem Schmelztiegel verschiedener Formen, z. B. halbkugelförmige Schmelztiegel, zu verwenden.
Der Schmelztiegel kann in einem rotationssymmetrischen doppelwandigen Gefäß angeordnet sein, das einen radialen Schlitz aufweist und von einer mit Hochfrequenz gespeisten Induktionsspule umgeben ist.
Um einen definierten axialen Temperaturgradienten oder eine homogene Temperaturverteilung in einer Schmelze, aus der Halbleiterkristalle gezogen werden, zu erhalten, ist erfindungsgemäß in dein Gefäß ein in der Höhe verschiebbarer muldenförmiger Tiegel angeordnet und die Innenfläche des Gefäßes ebenfalls muldenförmig ausgebildet.
Vorzugsweise kann dabei der Übergang der Innenfläche zur Außenfläche des Gefäßes nach außen sich konisch erweiternd ausgebildet sein.
Wenn also der untere Teil der den Tiegel muldenförmig und konzentrisch umschließenden Innenfläche des Gefäßes der Außenfläche des isolierenden Schmelztiegels und vorzugsweise dessen Innenfläche geometrisch ähnlich und in seiner Größe so bemessen ist, daß die Außenfläche des Schmelztiegels in einer ausgezeichneten Tiegelstellung von der Innenfläche des Gefäßes überall den gleichen senkrechten Abstand besitzt, und wenn außerdem der Schmelztiegel aus der ausgezeichneten Lage mindesten nach oben verschiebbar ist und wenn schließlich der an die Tiegelform angepaßte Teil der Innenfläche des Gefäßes sich nach oben derart fortsetzt, daß die lokale Kopplung zwischen Gefäß und Tiegel bei einer nach oben erfolgenden Verschiebung des Tiegels im oberen Tiegelteil langsamer als im unteren Tiegelteil sich verkleinert, so ist es bei einer bestimmten Lage des Tiegels im Gefäß möglich, ein homogenes Temperaturfeld im Schmelzgut zu erhalten, während es andererseits möglich ist, Temperaturfelder sowohl mit nach unten als auch gegebenenfalls mit nach oben gerichteten Temperaturgradienten zu erzeugen, sobald sich der Tiegel oberhalb oder unterhalb der ausgezeichneten, die Einstellung eines homogenen Temperaturfeldes bewirkenden Lage im Gefäß befindet.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der Figur beispielsweise dargestellt. Der Schmelztiegel besteht an seiner Außenseite aus einem elektrisch leitenden Teil 1 b und einem dicht anliegenden Einsatz i a aus Quarz. Sowohl der Metallteil als auch der Quarzteil des Tiegels besitzen eine geringe, möglichst gleichförmige Wandstärke. Der Tiegel 1 b ist konzentrisch von der Innenfläche eines Gefäßes 3 umgeben. Die Innenfläche des Gefäßes ist im Bereich 3', 3" der Außenfläche des Tiegels ähnlich, so daß in einer, und zwar in der Figur dargestellten Lage die Außenwand des Tiegels überall von der Innenwand des Gefäßes gleich weit entfernt ist. Durch eine Vorrichtung, welche eine axiale Verschiebung des Tiegels 1 b ermöglicht, kann der Tiegel während des Betriebes nach Belieben in oder aus dieser ausgezeichneten Lage verschoben werden. Diese Vorrichtung besteht beispielsweise aus einer Stange 4 aus isolierendem, hitzebeständigem Material, z. B. Keramik oder Quarz, die mit dem Boden des Tiegels fest verbunden und durch einen Antrieb 4' bewegbar ist. Die Zu- und Abfuhr der Kühlflüssigkeit für das Gefäß erfolgt durch Rohrleitungen 5, 5'. Das Gefäß 3 ist mit einem meridional durchgehenden Schlitz 6, 6' versehen. Die Energiezufuhr kann entweder über beiderseits des Schlitzes angebrachte, mit Hochfrequenzstrom gespeiste Klemmen oder, wie dies in der Figur dargestellt ist, auf induktivem Wege erfolgen. Zu diesem Zweck ist das nach außen zylinderförmig verlaufende Gefäß 3, das aus einem Metall, z. B. Kupfer, besteht, von einer zylindrischen, mit Wechselstrom, insbesondere Hochfrequenzstrom, gespeisten Induktionsspule 7 umgeben. Da es meistens erwünscht ist, den Schmelzvorgang unter Vakuum oder Schutzgas vorzunehmen, ist die Vorrichtung von einem insbesondere rohrförmigen Quarzgefäß 8 umgeben, wobei sich die Induktionsspule 7 zweckmäßig außerhalb des Quarzgefäßes befindet.
In die im Tiegel befindliche Halbleiterschmelze 2 wird ein Keimkristall 9 eingetaucht und dieser in bekannter Weise unter Mitführung von geschmolzenem Material von einer Ziehvorrichtung 10 nach oben gezogen.
Wenn sich z. B., wie es in der Figur dargestellt ist, der dem Tiegelkörper angepaßte Teil in der den Tiegel umschließenden Innenwand in einen zylindrischen Teil nach oben fortsetzt, so zeigt die Betrachtung des kürzesten Abstandes zwischen den einzelnen Oberflächenstellen des Tiegels 1 b und der Innenwand des Gefäßes 3 sofort, daß im unteren Teil des Tiegels die Kopplung und damit die lokal aufgenommene und in Wärme verwandelte Energie bei einer Verschiebung des Tiegels nach oben im oberen Teil des Tiegels zunächst konstant bleibt, im unteren Teil des Tiegels dagegen stark abnehmen muß, um sich einem im allgemeinen kleineren Wert als dem im oberen Tiegelbereich gültigen Kopplungswert zu nähern. Der Effekt läßt sich noch verstärken, wenn sich der Tiegel bei einer Wanderung nach oben in ein Gebiet bewegt, in dem sich der von der die Tiegelachse nach wie vor konzentrisch umgebenden Innenwand des Tiegels umschlossene Raum etwas nach oben konisch verjüngt.
Besonders einfache Verhältnisse erreicht man, wenn die Tiegelwand überall gleiche Stärke aufweist und nach unten halbkugelig abgeschlossen ist, wie dies auch bei dem in der Figur dargestellten Beispiel zutrifft. Wenn z. B. der Tiegelkörper einen Außenradius von 25 mm und die Innenfläche des Gefäßes 3 in der ausgezeichneten Tiegelstellung einen Abstand von 2 mm von der Außenfläche des Tiegels besitzt und der angepaßte Teil dieser Innenfläche sich nach oben in einem zylindrischen Teil von etwa 2 bis 5 cm fortsetzt, so läßt sich in der tiefsten Stellung des Tiegels, die gerade noch ohne Berührung mit der Wand des Gefäßes 3 möglich ist, im unteren Teil des Tiegels ein Temperaturüberschuß von 150° C gegenüber dem oberen Teil erreichen. In der höchsten Stellung des Tiegels, die etwa dadurch gegeben ist, daß der Rand des Schmelztiegels mit dem Rand des Gefäßes abschließt, ergibt sich dagegen ein Temperaturüberschuß im oberen Tiegelteil von etwa 100` C.
Um radiale Temperaturunterschiede möglichst auszugleichen und den Wirkungsgrad der Anordnung zu verbessern, empfiehlt es sich, die Innenfläche des Gefäßes reflektierend zu machen, insbesondere ihr einen spiegelnden Belag aus Silber zu geben oder sie zu polieren. Hierdurch wird erreicht, daß ein großer Teil der vom Schmelztiegel abgestrahlten Wärme auf den Schmelztiegel zurückreflektiert wird. Damit stellt sich rasch ein Strahlungsgleichgewicht zwischen Tiegel und dem umgebenden Raum ein, welches auch auf den radialen Temperaturgradienten in der Schmelze ausgleichend wirkt. Ferner wird der Wärmeverlust durch Abkühlung geringer.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Vorrichtung zum Ziehen von Halbleiterkristallen aus einer Schmelze, bestehend aus einem rotationssymmetrischen, doppelwandigen, einen radialen Schlitz aufweisenden Gefäß innerhalb einer Induktionsspule, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gefäß (3) ein in der Höhe verschiebbarer, muldenförn-iiger Tiegel (1 a, 1 b) angeordnet und die Innenfläche des Gefäßes (3) ebenfalls muldenförmig ausgebildet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der übergang der Innenfläche (3'), zur Außenfläche des Gefäßes nach außen sich konisch erweiternd ausgebildet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 903 266, 968 582; deutsche Auslegeschrift Nr. 1094 237; USA.-Patentschrift Nr. 1378188.