DE1182206B - Verfahren zur Herstellung eines Stabes aus hochreinem Halbleitermaterial durch tiegelfreies Zonenschmelzen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Stabes aus hochreinem Halbleitermaterial durch tiegelfreies ZonenschmelzenInfo
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B13/00—Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting
- C30B13/08—Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting adding crystallising materials or reactants forming it in situ to the molten zone
- C30B13/10—Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting adding crystallising materials or reactants forming it in situ to the molten zone with addition of doping materials
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- C30—CRYSTAL GROWTH
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Nummer: 1182206
Aktenzeichen: S 77717IV c/12 c
Anmeldetag: 26. Januar 1962
Auslegetag: 26. November 1964
Nach einem bekannten Verfahren zur Gewinnung von Halbleitermaterial, ζ. Β. durch Zersetzung einer
gasförmigen Verbindung des Halbleiters und Abscheidung auf einem elektrisch beheizten stabförmigen
Träger aus demselben Halbleitermaterial, kann ein dotierter Stab aus Halbleitermaterial erhalten
werden, wenn während des Zersetzungs- und Abscheidungsprozesses ein Dotierungsstoff, z. B. in
Gasform, dem Reaktions- oder dem Trägergas zugesetzt wird. ίο
Es besteht nun häufig die Aufgabe, einen solchen Halbleiterstab, der eine über seine ganze Länge nur
annähernd gleichmäßig verteilte Dotierung aufweist, nachträglich einem Zonenschmelzverfahren zu unterziehen,
sei es zu dem Zweck, dem Stab eine einkristalline Struktur zu geben, sei es zwecks Vergleichmäßigung
der Dotierungskonzentration über den Stabquerschnitt oder sei es zwecks Herabsetzung
der Dotierungskonzentration. Eine solche Behandlung hat bei einem von 1 verschiedenen Verteilungskoeffizienten
des Dotierungsstoffes zur Folge, daß die Längsverteilung des Dotierungsstoffes in einem
von der Schmelzzone zuerst durchwanderten Teil des Stabes nicht gleichmäßig wird.
Es ist bekannt, die Gleichmäßigkeit der Längsverteilung durch das sogenannte Zonenschmelznivellieren
herzustellen, welches darin besteht, daß der Stab mehreren Schmelzzonendurchgängen mit
jeweiligem Richtungswechsel unterworfen wird.
Es ist weiter ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen bekannt, bei dem die Schmelzzone
mehrfach in gleicher Richtung durch einen Stab geführt wird. Bei dem letzten Zonendurchgang wird an
einer von der Anschmelzstelle des Keimkristalls entfernten Stelle mit dem Schmelzen begonnen. Dieses
Verfahren bezweckt die Verbesserung der elektrischen Eigenschaften des Halbleitermaterials durch
Verminderung der Kristallgitterversetzungen und Erhöhung der Lebensdauer der Minoritätsträger.
Demgegenüber kann bei einem Verfahren zur Herstellung eines Stabes aus hochreinem Halbleitermaterial,
insbesondere Silicium, für elektronische Zwecke, in welchem eine vorbestimmte Konzentration
eines Dotierungsstoffes, dessen Verteilungskoeffizient kleiner als 1 und dessen Dampfdruck
größer als derjenige des Halbleitermaterials ist, über die ganze Stablänge annähernd gleichmäßig verteilt
enthalten ist, durch tiegelfreies Zonenschmelzen im Vakuum mit mehrfachem Durchlauf der Schmelzzone
in der gleichen Richtung, wobei ein Durchlauf der Schmelzzone in einem Abstand von der Anfangsstelle der übrigen Zonendurchläufe in Richtung des
Verfahren zur Herstellung eines Stabes aus
hochreinem Halbleitermaterial durch tiegelfreies Zonenschmelzen
hochreinem Halbleitermaterial durch tiegelfreies Zonenschmelzen
Anmelder:
Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Als Erfinder benannt:
Otto Schmidt, Erlangen
Otto Schmidt, Erlangen
Zonendurchlaufs begonnen wird, eine wesentliche Vereinfachung und eine Vergrößerung der verwertbaren
Stablänge erzielt werden, wenn erfindungsgemäß nach dem Durchlaufen mit versetzter Anfangsstelle
mindestens ein Durchlauf der Schmelzzone folgt, der an der ursprünglichen Stelle begonnen
wird.
An Hand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden.
F i g. 1 zeigt einen Teil eines Halbleiterstabes, der
einem vorzugsweise tiegelfreien Zonenschmelzprozeß unterworfen werden soll;
F i g. 2 und 3 zeigen den Verlauf der Dotierungskonzentration über der Stablänge vor und nach dem
Zonenschmelzen nach einem bekannten Verfahren und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
F i g. 1 zeigt einen Teil eines Halbleiterstabes, der dem Zonenschmelzen unterworfen wird. Am linken
Ende befindet sich eine Schmelzzone, deren Länge / und deren Durchmesser d beträgt. Der Teil des
Halbleiterstabes, durch den die Schmelzzone wandern soll, hat die Länge L. Der Durchmesser des Stabes
ist über die gesamte dem Zonenschmelzverfahren unterworfene Länge konstant oder zumindest angenähert
konstant.
In F i g. 2 ist die Dotierungskonzentration C über
dem von der Schmelzzone zurückgelegten Weg ~
dargestellt. Der Stab hat, wie vorausgesetzt, zunächst eine über die gesamte Stablänge annähernd gleichmäßige
Dotierungskonzentration C0- Nach dem ersten
Zonendurchgang ist die Konzentration am Beginn des Weges der Schmelzzone um den Faktor k abgesunken
(k = Verteilungskoeffizient) und zeigt im übrigen den bekannten Verlauf (1, 2, 3, 4). Da praktisch
nur der Teil des Halbleiterstabes, der nach dem Zonenschmelzen wiederum eine gleichmäßige Dotie-
• ., ., 4M 729/248
rungskonzentration aufweist, verwendet werden kann, sind also die Teile von Punkt I bis II und hinter dem
Punkt III als Abfall zu betrachten.
In F i g. 3 ist in einem Diagramm die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens (dargestellt.
Wieder hat der Stab zunächst eine annähernd gleichmäßige Dotierungskonzentration C0. Nach dem ersten
Zonendurchgang (1) ist wieder die Konzentration am Beginn des Weges der Schmelzzone um den Faktor k
abgesunken. Nach dem zweiten Zonendtrrchgang (2) zeigt sich ein weiteres Absinken um den Faktor k.
Beim dritten Durchgang der Schmelzzone wird der Zonendurchlauf ein Stück in den Stab versetzt begonnen,
beispielsweise um etwa den halben Stabdurchmesser versetzt. Als untere und obere Grenze
der Versetzung sind etwa ein Fünftel und das Zweifache des. Stabdurchmessers anzusetzen. Als Folge
davon wird am Anfang des Stabes bei diesem Zonendurchgang keine weitere Reinigung des Halbleitermaterials
von dem betreffenden Fremdstoff bewirkt. Die Dotierungskonzentration zeigt den mit 3 bezeichneten
Verlauf.
Wird nun bei dem vierten und letzten Zonendurchgang wieder an dem normalen Anfang mit dem
Durchlauf der Schmelzzone begonnen, so zeigt die Dotierungskonzentration danach den mit 4 bezeichneten
Verlauf. Der Vergleich der Kurve 4 in F i g. 2 mit dem Verlauf der Kurve 4 in Fig. 3 zeigt die
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der nach diesem Verfahren behandelte Halbleiterstab
zeigt eine wesentlich gleichmäßigere Dotierungskonzentration über die gesamte Länge. Die Abfallstücke
sind wesentlich kürzer. Wird beispielsweise ein Siliciumstab von etwa 30 cm Länge, der mit
Phosphor dotiert ist, dem tiegelfreien Zonenschmelzen im Vakuum unterworfen, so ist das Abfallstück
am Anfang des Stabes bei dem bisher bekannten Verfahren etwa 7 cm lang, dagegen bei einem Stab,
der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wurde, lediglich 2 cm lang. Die Dotierungskonzentration
beträgt beispielsweise vorher C0= etwa 10~8g Phosphor pro Gramm Silicium und nach dem
vierten Durchlauf der Schmelzzone etwa C4= etwa 10-9 g Phosphor pro Gramm Silicium. Als Abfall
wird hierbei der Teil des Siliciumstabes betrachtet, bei dem die genannten Werte den Rahmen von
±10% überschreiten. Bei einem Siliciumstab von etwa 12 mm Durchmesser liegen zweckmäßige Wanderungsgeschwindigkeiten
der Schmelzzone bei etwa 2 bis 6 mm/min. Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt also eine wesentlich bessere Ausbeute und
damit eine erheblich größere Wirtschaftlichkeit hinsichtlich des Materials und hinsichtlich des Maschinenparks.
Selbstverständlich sind gewisse Abwandlungen des Verfahrens möglich. So kann beispielsweise bei einer
größeren Anzahl von Zonendurchgängen gegebenenfalls mehrfach der Beginn des Zonendurchlaufs von
der normalen Anfangsstelle weg in Richtung des Zonendurchlauf es versetzt werden, z. B. bei zehri-Zonendurchläufen
bei dem fünften und bei dem neunten Durchgang der Schmelzzone. Je nach der Höhe der Dotierungskonzentration kann auch der
Abstand des Beginns dieser Zonendurchgänge von dem normalen Anfang der Zonendurchgänge in gewissem
Maße variiert werden. Derartige Werte lassen sich leicht durch Versuche ermitteln.
Zweckmäßigweise wird das Zonenschmelzen in einem Vakuum von weniger als 10~3 mm Quecksilbersäule
durchgeführt und dieses Vakuum während des Zönenschmelzvorganges durch ständiges Pumpen
aufrechterhalten. Die Teillänge des Stabes, welche dem Zonenschmelzen unterworfen werden soll, wird
vorteilhafterweise vor Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens durch vorzugsweise tiegelfreies Zonenschmelzen
auf einen gleichmäßigen Durchmesser gebracht.
Das Verfahren kann insbesondere auf Silicium angewendet werden. Germanium zeigt ein in vieler
Hinsicht gleiches oder ähnliches Verhalten. Als Dotierungsmaterialien kommen die bekannten Akzeptoren
und Donatoren der IH. bzw. der V. Gruppe des Periodischen Systems in Betracht, insbesondere
Gallium, Indium, Arsen und Phosphor.
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahren zur Herstellung eines Stabes aus hochreinem Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, für elektronische Zwecke, in welchem eine vorbestimmte Konzentration eines Dotierungsstoffes, dessen Verteilungskoeffizient kleiner als 1 und dessen Dampfdruck größer als derjenige des Halbleitermaterials ist, über die ganze Stablänge annähernd gleichmäßig verteilt enthalten ist, durch tiegelfreies Zonenschmelzen im Vakuum mit mehrfachem Durchlauf der Schmelzzone in gleicher Richtung, wobei ein Durchlauf der Schmelzzone in einem Abstand von der Anfangsstelle der übrigen Zonendurchläufe in Richtung des Zonendurchlaufs begonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Durchlauf mit versetzter Anfangsstelle mindestens ein Durchlauf folgt, der an der ursprünglichen Stelle begonnen wird.In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 109 141.Hierzu 1 Blatt Zeichnungen409 729/248 11.64ι Bundesdruckerei Berlin
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FR922301A FR1407052A (fr) | 1962-01-26 | 1963-01-22 | Procédé d'obtention d'un barreau constitué par un matériau semi-conducteur de haute pureté |
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- NL NL285816D patent/NL285816A/xx unknown
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1962
- 1962-01-26 DE DES77717A patent/DE1182206B/de active Pending
- 1962-10-02 CH CH1156862A patent/CH406162A/de unknown
-
1963
- 1963-01-22 US US253079A patent/US3173815A/en not_active Expired - Lifetime
- 1963-01-25 GB GB3313/63A patent/GB986235A/en not_active Expired
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1109141B (de) * | 1959-04-22 | 1961-06-22 | Siemens Ag | Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen hochgereinigten Halbleiterstabes |
Also Published As
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