DE1188040B - Vorrichtung zum Ziehen von Halbleitereinkristallen aus einer Schmelze konstanten Volumens - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

Nummer: Aktenzeichen: Anmeldetag: Auslegetag:

BOIj

Deutsche Kl.: 12 c-2

1188 040
I17405IVc/12c
18. Dezember 1959
4. März 1965

Beim Ziehen von Einkristallen aus der Schmelze nach dem bekannten, von Czochralski entwikkelten Verfahren wird das zu kristallisierende Material geschmolzen, ein kleiner einkristalliner Keimkristall mit der Oberfläche der Schmelze in Beruhrung gebracht und der Keimkristall langsam so wieder herausgezogen, daß die Schmelze fortlauf end vom Keimkristall aus erstarrt, wobei sich ein stabförmiger Einkristall bildet. Je nach Art des verwendeten Materials und seiner späteren Bestimmung kann das bekannte Verfahren in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden.

Die Schmelze kann mit Donator- oder Akzeptorverunreinigungen dotiert werden, welche dem kristallisierten Material den gewünschten Leitfähigkeitstyp verleihen und andere Eigenschaften, beispielsweise den elektrischen Widerstand, bestimmen. Die Konzentration der Verunreinigung, die in den Kristall eingebaut wird, ist eine Funktion des Verteilungskoeffizienten. Da sich das Volumen der Schmelze beim Kristallziehen verringert, ändert sich die Konzentration an Verunreinigungsmaterial in der Schmelze kontinuierlich und als Folge davon auch im Kristall. Nach Beendigung der Kristallzucht liegt infolgedessen ein großer Teil der Länge des gezogenen Kristalls außerhalb der vorgeschriebenen Grenzen bezüglich der Dotierungskonzentration und muß ausgeschieden werden.

Der elektrische Widerstand der Halbleiterkristalle ist dann nicht gleichmäßig, was bei der Verarbeitung zu Halbleiteranordnungen erforderlich ist, da die elektrischen Daten der fertigen Anordnung vom Widerstand beeinflußt werden. Beim Zonenschmelzverfahren, bei dem ein im wesentlichen konstantes Schmelzvolumen nämlich das Volumen der Schmelzzone) erhalten wird, können zwar Kristalle innerhalb der gewünschten Toleranzgrenzen hergestellt werden, es weist jedoch auch Nachteile auf. Der Kristall wird gewöhnlich in einem Tiegel gezüchtet, welcher sein Wachstum beeinflußt. Der Mangel an radialer Symmetrie erschwert dabei die Regelung des Temperaturgradienten bei dem gezüchteten Kristall, die zur Herstellung eines einwandfreien Kristalls notwendig ist. Es ist auch bekannt, Kristalle nach dem Zonenschmelzverfahren ohne Verwendung von Tiegeln herzustellen. Es wird dabei ein Stab aus Halbleitermaterial an beiden Enden gehaltert und mittels einer beweglichen Heizvorrichtung die Schmelzzone im Stab von einem Ende zum anderen bewegt. Dabei treten insbesondere bei Verwendung von Germanium als Halbleitermaterial Schwierigkeiten bezüglich der Formhaltung der Schmelzzone Vorrichtung zum Ziehen von
Halbleitereinkristallen aus einer Schmelze
konstanten Volumens

Anmelder:

INTERMETALL Gesellschaft für Metallurgie

und Elektronik m. b. H.,

Freiburg (Breisgau), Hans-Bunte-Str. 19

Als Erfinder benannt:

Noble E. Hamilton, Belmont, Mass. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 20. Januar 1959 (787 939)

auf. In beiden Fällen machen sich beim Zonenschmelzverfahren Widerstandsschwankungen quer zur horizontalen Längsachse des Kristalls unangenehm bemerkbar. Diese werden durch Konvektionsströme des Verunreinigungsmaterials von der Mitte zur Oberfläche in der Nähe der Wachstumsoberfläche des Kristalls hervorgerufen.

Schließlich sind auch bereits Verfahren zum Züchten von Einkristallen bekannt, bei denen eine Schmelze an einem Ende eines polykristallinen Halbleiterstabes erzeugt und durch laufendes Nachschmelzen des Vorratsstabes ergänzt wird. Aus dieser Schmelze wird dann in der bekannten Weise mittels eines Keimkristalls der zu züchtende Einkristall gezogen.

Bei einem bekannten Verfahren wird zunächst eine Schmelze in ein abgeschlossenes Gefäß eingebracht und nach dem Erstarren dieser Schmelze der obere Teil erneut geschmolzen und daraus der Einkristall gezogen. Dabei ist es schwierig, die Heizung so zu regeln, daß ein Teil des Stabes schmilzt, während der andere noch in plastischer Konsistenz verbleibt. Nachteilig ist dabei außerdem, daß die Lage der Schmelze entsprechend der Abnahme des Materials sich im Behälter ändert.

Bei einem anderen bekannten Verfahren wird einem Gefäß von oben das Vorratsmaterial in Form eines Halbleiterstabes zugeführt, in dem Gefäß geschmolzen und am unteren Ende außerhalb des Gefäßes kristallisiert. Die Ausbildung der Austritts-

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öffnung für die Schmelze am unteren Ende des Gefäßes bereitet Schwierigkeiten. Darüber hinaus setzt ebenso wie beim tiegelfreien Zonenschmelzen die Oberflächenspannung des Materials dem Durchmesser des zu züchtenden Einkristalls Grenzen.

Alle bisher bekannten Verfahren haben den Nachteil, daß entweder komplizierte Vorrichtungen zur Bewegung der Schmelzzone bzw. des gezogenen Kristalls und zum Nachfüllen der Schmelze notwendig sind oder daß es sich um die Herstellung einer von vornherein abgeschlossenen und begrenzten Menge handelt, so daß eine kontinuierliche Fertigung ausscheidet.

Diese Nachteile werden bei einer Vorrichtung zum vertikalen Ziehen von Halbleitereinkristallen mit gleichmäßiger Widerstandsverteilung mittels eines Keimkristalls aus einer dotierten Schmelze, die am oberen Ende eines senkrecht stehenden Stabes aus Halbleitermaterial gebildet wird, deren Volumen nach Maßgabe des Kristallwachstums aus dem Stab ergänzt und konstant gehalten wird und die in einem Tiegel angeordnet ist, vermieden, wenn erfindungsgemäß der gegebenenfalls aus mehreren aneinandergesetzten Teilen bestehende Halbleiterstab in einer Bohrung im Tiegelboden gleitend geführt ist, die mit einem Bolzen zur Auflage auf der noch festen oberen Stirnseite des Stabes versehen ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Führung zur senkrechten Halterung des Stabes in Richtung auf die Bohrung zu vorhanden. Ein Heizelement umgibt den Tiegel seitlich. Es sind außerdem Einrichtungen vorgesehen, um den Halbleiterstab und den Kristall relativ zum Tiegel nach oben bewegen zu können, so daß ein konstantes Schmelzvolumen im Schmelztiegel aufrechterhalten wird.

Es werden Einkristalle erhalten, welche sich durch große Genauigkeit und Gleichmäßigkeit auszeichnen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann kontinuierlich betrieben werden. An Hand der Zeichnung, welche einen Längsschnitt durch die Achse einer Vorrichtung darstellt, wird die Erfindung näher erläutert.

Die gesamte Vorrichtung ist mit dem Bezugszeichen 10 versehen. Sie enthält einen Tiegel 26, der seitlich von einem Heizelement 14 umgeben wird und in einem Gehäuse 16 untergebracht ist.

Der Tiegel 26 besitzt im wesentlichen die Form eines Hohlzylinders mit einer abgestuften Bohrung. Das obere Ende des Tiegels ist becherförmig mit dem Hohlraum 18 ausgebildet, welcher die Schmelze 20 enthält. Das untere Ende 12 enthält eine Bohrung 22, die sich konzentrisch vom Boden des becherförmigen Hohlraumes 18 aus erstreckt.

Die Bohrung 22 ist so dimensioniert, daß sie mit geringem Spiel den Stab 24 des zu schmelzenden Materials aufnehmen kann. Der Zwischenraum zwischen der Bohrung 22 und dem Stab 24 ist groß genug, daß dieser leicht in die Bohrung gleiten kann, aber so gering, daß geschmolzenes Material von der Zone 20 nicht hindurchdringen und den Stab herabfließen kann._

Unmittelbar unter dem Boden des Tiegels 26, an der Verbindungsstelle des Hohlraumes 18 mit der Bohrung 22 ist über die Bohrung ein sich verjüngender, bewegbarer Bolzen 28 geführt, welcher in geeignet angebrachte radiale Bohrungen in den Seitenwänden des Tiegels paßt. Wenn der Bolzen 28 eingeschoben ist, wird der Eintritt des Stabes 24 in den Hohlraum 18 verhindert, so daß der Tiegel nur so weit über den Stab 24 gleiten kann, bis dessen oberes Ende den Bolzen berührt.

Das Heizelement 14 kann irgendeine geeignete Anordnung zum Heizen des Gebietes im Hohlraum 18 sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Element 14 aus einer Induktionsspule und ist mit einer Hochfrequenzwechselspannungsquelle verbunden, die bei 30 schematisch dargestellt

ίο ist. Der Teil des Hohlraumes 18, der von der Spule 14 umgeben wird, reicht vom Boden des Hohlraumes bis zu einem Punkt mit genügendem Abstand unterhalb des oberen Endes des Hohlraumes. Die Spule kann entweder direkt an dem Tiegel befestigt sein oder auf andere Art so angeordnet werden, daß ihre Stellung zum Tiegel fest bleibt.

Das Gehäuse 16 umhüllt den Tiegel 26 und die mit ihm verbundenen Elemente vollständig. Eingangsund Ausgangsstutzen 32 und 34 ermöglichen die Evakuierung des Gehäuses und das Einbringen von inerten Gasen oder Gasen gewünschter chemischer Eigenschaften, wenn das erforderlich ist.

Im Boden des Gehäuses 16 befindet sich eine öffnung 36, durch welche der Stab 24 eintritt. Zum fortlaufenden Arbeiten wird ein Stab 24' in die öffnung eingeführt, indem er mit dem unteren Ende des Stabes 24 durch eine Schraubverbindung 38 verbunden wird. Die Verbindung kann auch einfach durch Zusammenfügen unregelmäßiger Bruchstellen oder zusammenstoßender Flächen mit oder ohne kleine zylindrische Einbuchtungen oder Bolzen, die die Stäbe zentrieren, erreicht werden. Da die Stäbe mit ihren Enden aufeinanderstellen, ist eine feste Verbindung nicht notwendig.

Eine den Stab 24' umgebende Dichtung 40 in der öffnung 36 ermöglicht dessen gasdichte Einführung. Ein paar entgegengesetzt laufende Rollen 42 und 42' führen und bewegen den Stab 24' langsam in die Vorrichtung hinein.

Im wesentlichen übereinstimmend mit der öffnung 36 ist am oberen Ende des Gehäuses 16 eine entsprechende öffnung 44 angebracht und mittels der Dichtung 46, durch die der Einkristall 48 aus der Schmelze gezogen wird, abgedichtet. Der Keimkristall 50 ist in einem geeigneten Halter 52 befestigt, der durch ein Seil gezogen wird, das über die Rollen 56 und 56' läuft. Ein paar entgegengesetzt laufende Rollen 58 und 58' berühren die Seiten des gezogenen Kristalls reibend, sobald er aus der öffnung 44 heraustritt. Wenn der Kristall bis zu dieser Anordnung gezogen worden ist, kann das Seil 54 entfernt und seine Funktion durch die Antriebsrollen 58 und 58' übernommen werden. Dadurch ist es möglich, Teile des gezogenen Kristalls abzubrechen, wenn sie die gewünschte Länge erreicht haben, ohne den Ziehprozeß zu unterbrechen.

Erforderlichenfalls kann die Vorrichtung mit einem Beschickungsrohr 60 versehen werden, welches durch die obere Wand des Gehäuses 16 führt und auf den Hohlraum 18 gerichtet ist. Das Rohr 60 ermöglicht die Zugabe von Dotierungsmaterial zu der Schmelze.

Der Tiegel 26 kann vorzugsweise durch Ausnutzung der Schwerkraft am Stab 24 herab nach unten bewegt werden. Gewöhnlich wird das Gewicht der Form diese nach unten drücken, sobald das obere Ende des Stabes 24 im Gebiet des Bolzens 28 schmilzt. Es können außerdem auch noch nicht dar-

gestellte äußere Gewichte in irgendeiner Art an der Schmelzform befestigt werden.

Die Vorrichtung ist sehr einfach aufgebaut und bequem zu handhaben. Es sind keinerlei mechanische Vorrichtungen nötig, um den Tiegel zu bewegen. Da außerdem der Tiegel durch das Heizelement weder angetrieben wird noch mit diesem mechanisch verbunden zu sein braucht, kann die Stellung des Tiegels relativ zum Heizelement als empfindlicher Anzeiger von Fehlern bei der Heizleistung im Heizelement dienen. So kann man beispielsweise Änderungen dieser relativen Stellung ausnutzen, um die Heizleistung zu regulieren. Das kann erreicht werden durch mechanische Kopplung mit Schaltern und optische oder magnetische Einrichtungen. Bei Verwendung einer Induktionsheizung kann der Tiegel so ausgebildet sein, daß eine Änderung der relativen Stellung von Schmelztiegel und Heizelement eine Änderung der induktiven Kopplung zur Folge hat.

Die relative Bewegung zwischen dem Stab und der Schmelzzone kann entweder durch eine Abwärtsbewegung der Schmelzzone oder durch eine Aufwärtsbewegung des Stabes oder durch eine Kombination beider Bewegungen erreicht werden.

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Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum vertikalen Ziehen von Halbleitereinkristallen mit gleichmäßiger Widerstandsverteilung mittels eines Keimkristalls aus einer dotierten Schmelze, die am oberen Ende eines senkrecht stehenden Stabes aus Halbleitermaterial gebildet wird, deren Volumen nach Maßgabe des Kristallwachstums aus dem Stab ergänzt und konstant gehalten wird, und die in einem Tiegel angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der gegebenenfalls aus mehreren aneinandergesetzten Teilen bestehende Halbleiterstab (24) in einer Bohrung (22) im Boden des Tiegels (26) gleitend geführt ist, die mit einem Bolzen (28) zur Auflage auf der noch festen oberen Stirnseite des Stabes versehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (22) koaxial zum darüber befindlichen Tiegelraum (18) liegt.

3. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (26) von einem Gehäuse (16) umgeben ist, das an seinem^ oberen und unteren Boden mit Dichtungen (40 bzw. 46) versehene öffnungen (36 bzw. 44) zum Eintritt der Halbleiterstäbe (24 bzw. 24') und zum Austritt des gezüchteten Kristalls (48) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein von außen durch das Gehäuse (16) ragendes Rohr (60) zum Zuführen von Dotierungsmaterial in die Schmelze (20) dient.

5. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Aufwärtsbewegung des Halbleiterstabes (24), des Kristalls (48), des Tiegels (26) und des Heizelementes (14) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (26) von einem mit ihm nicht starr verbundenen Heizelement (14) umgeben ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1034 772;
schweizerische Patentschrift Nr. 330 205.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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