-
Verfahren zur Herstellung von Halbleiterkristallen durch tiegelfreies
Zonenschmelzen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von
hochreinen oder/und mit bestimmten Zusätzen an Verunreinigungen versehenen Halbleiterkristallen,
insbesondere von Halbleiterkristallen, bei dem durch eine Heizvorrichtung in einem
stabförmigen, senkrechten und nur an seinen Enden gehalterten Halbleiterkristall
eine Zone geschmolzen und durch eine Relativbewegung zwischen dem Halbleiterkristall
und der Heizvorrichtung die flüssige Zone längs der Stabachse durch den Halbleiterkristall
geführt wird. Diese Halbleiterkristalle finden Verwendung in Halbleitervorrichtungen,
die der Gleichrichtung, der Verstärkung von elektrischen Größen oder von Lichtenergie,
der elektrischen Schwingungserzeugung, der Schaltung oder der Steuerung von elektrischen
Stromkreisen dienen.
-
Die Herstellung von hochreinen oder/und mit bestimmten Zusätzen an
Verunreinigungen versehenen Halbleiterkristallen, insbesondere von Halbleitereinkristallen,
kann nach einem bekannten Verfahren dadurch bewirkt werden, daß durch eine Heizvorrichtung
in einem stabförmigen, senkrechten und nur an seinen Enden gehalterten Halbleiterkristall
eine Zone geschmolzen wird, der Halbleiterkristall und die Heizvorrichtung eine
solche Relativbewegung ausführen, daß die flüssige Zone längs der Stabachse durch
den Halbleiterkristall wandert. Dabei kann eine kontinuierliche Rotation der flüssigen
Zone um eine Achse vorgesehen werden, indem der Stabteil, an dem die flüssige Zone
ankristallisiert, eine Drehbewegung, die mit dem Weg des Mittelpunktes der flüssigen
Zone bzw. der Heizvorrichtung zusammenfällt, ausführt. Durch diese Drehbewegung
wird beabsichtigt, eine ungleiche Erhitzung der flüssigen Zone über ihren Querschnitt
hinweg auszugleichen.
-
Bis zum Vorliegen eines z. B. für Kristallverstärker brauchbaren Halbleitermaterials
ist eine Reihe von Schritten zu dessen Fertigung erforderlich. Nach der Gewinnung
des Rohmaterials nach einem bekannten Verfahren besitzt der Halbleiter noch eine
erhebliche Menge an elektrisch wirksamen Verunreinigungen. Der nächste Schritt besteht
in einer sehr extremen Reinigung des Halbleiters. Hierauf kann die Beimischung von
geringen ausgewählten Verunreinigungen erfolgen. Diese geringe Zugabe an Verunreinigungen
bewirkt dann im Halbleiter die Störstellenleitung.
-
Zur Reinigung eines Halbleiterkristalles kann in folgender bekannter
Weise verfahren werden. Es wird ein stabförmiger Halbleiterkristall nur an seinen
beiden Enden gehaltert. Der Kristallstab wird in senkrechter Lage gehalten. Durch
eine Heizvorrichtung wird eine Zone des Kristallstabes nahe dem einen Ende geschmolzen
und als flüssige Zone längs der Stabachse durch den Kristallstab geführt.
-
Indem mehrfach und in gleicher Richtung eine flüssige Zone durch den
Kristallstab geführt wird, erzielt man eine fortschreitende Reinigung des Kristallstabes.
-
Eine andere bekannte Anordnung zum Zonenschmelzen von Halbleitereinkristallen
weist einen wannenförmigen, den Halbleiterkörper aufnehmenden Tiegel auf. Bei Verwendung
dieser Anordnung zum Zonenschmelzen wird bei einer azimutalen Ungleichmäßigkeit
der Heizvorrichtung oder bei einer exzentrischen Führung des Halbleiterkörpers bzw.
des Tiegels durch die Heizvorrichtung eine ungleichmäßige Erhitzung der Schmelzzone
eintreten. Bei der bekannten Anordnung kommt der Halbleiterkörper sowie die Schmelzzone
in Berührung mit dem wannenförmigen Tiegel, der durch Verunreinigungen, die aus
ihm in die Schmelzzone übertreten, sowie die an der Berührungslinie von Kristallisationsfront
und Tiegelwand vorhandene erhöhte Zahl von Kristallisationskeimen die Reinigungswirkung
beeinträchtigt. Bei diesem bekannten Verfahren tritt daher die Wirkung, die allein
an die relativ zu dem Halbleiterkristall ruhende Schmelzzone geknüpft ist, wegen
des Einflusses der nicht ganz zu vermeidenden Unsymmetrie der Erhitzung sowie der
Tiegelwandung nicht hervor.
-
Gemäß der Erfindung wird zur Herstellung von hochreinen oder/und mit
bestimmten Zusätzen an Verunreinigungen versehenen Halbleiterkristallen, insbesondere
von Halbleitereinkristallen, bei der durch eine Heizvorrichtung in einem stabförmigen,
senkrechten und nur an seinen Enden gehalterten
Halbleiterkristall
eine Zone geschmolzen und durch eine Relativbewegung zwischen dem Halbleiterkristall
und der Heizvorrichtung die flüssige Zone längs der Stabachse durch den Halbleiterkristall
geführt wird, so verfahren, daß gleichzeitig mit der Relativbewegung eine solche
Drehbewegung des Halbleiterkristalles um eine mit dem Weg des Mittelpunktes der
flüssigen Zone bzw. der Heizvorrichtung mindestens angenäherte zusammenfallende
Achse bewirkt wird, bei welcher die Drehbewegung des Stabteiles oberhalb der flüssigen
Zone gleichsinnig und mit gleicher Drehzahl zu der Drehbewegung des Stabteiles unterhalb
der flüssigen Zone erfolgt.
-
Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung gelingt es, die Ungleichmäßigkeiten
zu vermeiden, die durch eine nicht gleichmäßige Erhitzung hervorgerufen wird, und
die Güte des Kristallwachstums dadurch zu steigern, daß die Schmelzzone in relativer
Ruhe zu dem Halbleiterkristall bleibt. Während bei der Rotation eines Stabteiles
oder bei einer gegensinnigen Rotation beider Stabteile eine starke Bewegung der
Schmelzzone zustande kommt, kann diese Bewegung nach dem Verfahren gemäß der Erfindung
bei dem tiegelfreien Zonenschmelzen vermieden werden. Durch die Verbesserung des
Kristallwachstums in dem kristallisierenden Stabteil bei dem Verfahren gemäß der
Erfindung kann beispielsweise auch die Reinigungswirkung eines Zonendurchganges
erhöht werden, da die Abscheidungen an den Korngrenzen der Kristalle, die die Abscheidungen
durch Einbau in das Kristallgitter meist übertreffen, weiter herabgesetzt werden
können.
-
In Weiterbildung der Erfindung kann zur Herstellung von Halbleiterkristallen
mit bestimmten Zusätzen an Verunreinigungen so verfahren werden, daß dem Halbleiterkristall
die Zusätze an Verunreinigungen in axialen Bohrungen aufgegeben werden und die flüssige
Zone längs der Stabachse über die axialen Bohrungen geführt wird. Die Zusätze werden
so mit der flüssigen Zone in den Kristallstab gebracht und in dem Kristallstab durch
Abscheidung verteilt. Durch mehrmaliges Hin- und Herführen der flüssigen Zone in
dem Kristallstab kann eine gute Verteilung der Zusätze bewirkt werden.
-
Die Herstellung von hochreinen oder/und mit bestimmten Zusätzen an
Verunreinigungen versehenen Halbleiterkristallen kann unter einer Schutzgasatmosphäre
oder im Vakuum vorgenommen werden.
-
In einer Zeichnung ist in zum Teil schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel
des Verfahrens gemäß der Erfindung erläutert. Es ist ein Schnitt durch einen Kristallstab
1 bis 3, zwei Halter 4, eine Heizvorrichtung 5 und eine axiale Bohrung 6 gezeichnet.
Bei dem Kristallstab 1 bis 3 soll es sich beispielsweise um einen reinen Halbleiterkristall
handeln, dem ein Zusatz an Verunreinigungen beigemischt wird. Die Beimengung kann
durch zwei Bohrungen 6 erfolgen. In .dem Stadium des Verfahrens, wie es das Beispiel
der Figur darstellt, ist nur noch eine Bohrung 6 vorhanden. Die zweite Bohrung 6
befand sich am Ende des Stabteiles 3, etwa symmetrisch zu der in der Figur gekennzeichneten
Bohrung 6 am Ende des Stabteiles 2. Durch den Kristallstab 1 bis
3 wird eine flüssige Zone 1 geführt. Der Pfeil neben dem Kristallstab
1 bis 3 zeigt eine Bewegungsrichtung der flüssigen Zone 1 an. Die Heizvorrichtung
5 werde beispielsweise in Richtung des gezeichneten Pfeils geführt. Der Inhalt der
Bohrung 6, die sich in dem Stabteil 3 befand, wurde in dem in der Figur dargestellten
Stadium des Verfahrens, nämlich im ersten Durchgang der flüssigen Zone 1, von dieser
aufgenommen. Über der flüssigen Zone 1 befindet sich ein Stabteil
2; der feste Kristall, der beim ersten Durchgang der flüssigen Zone
1 also noch keine Änderung erfahren hat. Unter der flüssigen Zone 1 befindet
sich ein Stabteil 3, der gewachsene und im Beispiel mit dem Zusatz an Verunreinigung
vermischte Kristall. Der gekrümmte Pfeil unter dem Kristallstab zeigt die Drehbewegung
des Kristallstabes an, bei der sich die beiden festen Stabteile 2 und 3 samt der
flüssigen Zone 1 mit gleichem Drehsinn und gleicher Drehzahl drehen.
-
Die Zeichnung kann in ihrer zum Teil schematischen Darstellung auch
zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispieles des Verfahrens dienen. In diesem
Ausführungsbeispiel soll es sich um die Reinigung eines Kristallstabes handeln,
während das vorhergehende Ausführungsbeispiel die Beimischung von Verunreinigungen
zu einem Halbleiterkristall betraf. Die gezeichnete Figur stellt wiederum einen
Schnitt durch den Kristallstab 1 bis 3, die Halter 4
und die
Heizvorrichtung 5 dar. Eine Bohrung 6 bzw. mehrere Bohrungen erhält der zur Reinigung
bestimmte Kristallstab nicht. Mittels der Heizvorrichtung 5 wird beispielsweise
an einem Stabende eine flüssige Zone 1 geschmolzen. Diese flüssige Zone 1 wird durch
den Kristallstab 1 bis 3 geführt. Die Figur zeigt wiederum ein Stadium des
Verfahrens, in welchem die flüssige Zone 1 den Kristallstab 1 bis
3
durchwandert. Die Bewegungsrichtung der flüssigen Zone 1 ist aus
dem Pfeil neben dem Kristallstab 1
bis 3 ersichtlich. Die Führung der
flüssigen Zone 1
nach oben, werde beispielsweise wiederum durch die Bewegung
der Heizvorrichtung in Pfeilrichtung erhalten. über der flüssigen Zone 1 befindet
sich ein Stabteil 2, der feste Kristall, der vor Beendigung des ersten Durchganges
der flüssigen Zone 1 noch die ursprünglichen Verunreinigungen enthält. Unter der
flüssigen Zone 1 befindet sich ein Stabteil 3, der gewachsene und an Verunreinigungen
ärmere Kristall. Der gekrümmte Pfeil unter dem Kristallstab zeigt die Drehbewegung
des Kristallstabes 1 bis 3 an. Die beiden Stabteile 2 und 3 samt der flüssigen Zone
1 drehen sich mit gleichem Drehsinn und gleicher Drehzahl.
-
Durch eine Heizvorrichtung 5, z. B. eine Induktions- oder Strahlungsheizung,
wird eine Zone 1 des senkrecht gehalterten Kristallstabes geschmolzen. Zufolge
eines hohen Wertes der Oberflächenspannung des geschmolzenen Halbleitermaterials
hält sich die flüssige Zone 1 des Kristallstabes tropfenförmig zwischen den
festen Stabteilen 2 und 3. Die Führung der flüssigen Zone 1 durch
den Kristallstab 1 bis 3 kann dadurch bewirkt werden, daß entweder der Kristallstab
1 bis 3 mit seiner Halterung 4 auf-oder abwärts bewegt wird
oder die Heizvorrichtung 5 eine Auf- oder Abwärtsbewegung ausführt. Die Höhe der
flüssigen Zone 1 richtet sich nach der Dicke des Kristallstabes
1 bis 3 und der Temperatur der flüssigen Zone 1. Auch die Gestalt
des Umfanges des Kristallstabes 1 bis 3 hat auf die Höhe der flüssigen Zone 1 etwas
Einfluß.
-
Bei der Reinigung des Kristallstabes 1 bis 3 ebenso wie beim Einbringen
des gewünschten Zusatzes an Verunreinigungen in den Kristallstab 1 bis
3 ist es meist erforderlich, die flüssige Zone 1 mehrmals
durch
den Kristallstab 1 bis 3 zu führen. Die Zahl der Durchgänge der flüssigen Zone 1
durch den Kristallstab 1 bis 3 hängt vor allem von dem Halbleitermaterial und der
Verunreinigungssubstanz ab. Die Zahl der Durchgänge der flüssigen Zone durch den
Kristallstab richtet sich auch nach dem Grad der Verunreinigung des Rohmaterials
sowie nach der erstrebten Reinheit des Halbleitermaterials. Auch bei der Beimischung
von ausgewählten Verunreinigungen zu dem reinen Halbleiterkristall wird die Zahl
der Durchgänge der flüssigen Zone durch den Kristallstab, besonders durch die Abscheidungskoeffizienten
der Verunreinigungen, beeinflußt. Wird eine gute Gleichmäßigkeit der Verteilung
der zugesetzten Verunreinigungen angestrebt, so ist bei kleinen Abscheidungskoeffizienten
der Verunreinigungen eine kleinere Zahl der Durchgänge der flüssigen Zone ausreichend
als bei größeren Abscheidungskoeffizienten der Verunreinigungen.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Halbleiterkristallen
bietet für alle die Halbleitersubstanzen besondere Vorteile, bei denen die Herstellung
in höchster Reinheit bisher, wie bei Germanium und insbesondere bei Silizium, noch
Schwierigkeiten bereitet oder nur umständlich zu erreichen ist.