DE1202248B

DE1202248B - Verfahren zum Herstellen von bandfoermigen Halbleiterkristallen

Info

Publication number: DE1202248B
Application number: DES73416A
Authority: DE
Inventors: Dr Werner Spielmann; Dr Walter Heywang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1960-09-20
Filing date: 1961-04-11
Publication date: 1965-10-07
Also published as: DE1162329B; GB944192A; GB930432A; US3293001A; CH401919A; NL269311A; CH386395A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 40571W PATENTAMT Int. α.:

AUSLEGESCHRIFT

B 01jd>

Deutsche Kl.: 12c-2

Nummer: 1202 248

Aktenzeichen: S 73416IV c/12 c

Anmeldetag: 11. April 1961

Auslegetag: 7. Oktober 1965

Im Hauptpatent wird ein Verfahren zum Herstellen von langgestreckten, insbesondere dendritischen Halbleiterkörpern durch Ziehen aus einer bis unter den Schmelzpunkt unterkühlten, gegebenenfalls dotierten Schmelze beschrieben, bei dem die mit einer Heizvorrichtung erwärmte Halbleiterschmelze von einem aus dem gleichen Halbleitermaterial bestehenden Träger gehalten und der der Ziehstelle benachbarte Teil der Schmelze unterkühlt wird. Der infolge der Unterkühlung dendritisch an einem in die Schmelze eintauchenden Keimkristall anwachsende Halbleiterkörper wird dann aus dem unterkühlten Teil der Schmelze gezogen.

Besonders günstige Verhältnisse für ein dendritisches Wachstum werden erzielt und die beim Anwachsen des Halbleitermaterials an den Keimkristall während des Ziehens frei werdende Schmelzwärme an den Schmalseiten der Dendriten besonders rasch zur Oberfläche der Schmelze abgeführt, wenn gemäß der vorliegenden Erfindung durch unterschiedliche Schwächung der von der Heizvorrichtung der Schmelze zugeführten Wärmemenge im unterkühlten Teil die Schmelze an den Schmalseiten des Dendriten stärker unterkühlt wird als an den Breitseiten.

Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde: Beim Ziehen von Dendriten aus einer z. B. in einem Tiegel befindlichen Schmelze erhält man die aus der F i g. 1 ersichtliche Temperaturverteilung. In dieser Figur ist ein Schmelztiegel 1 im Querschnitt dargestellt. Die im Tiegel befindliche Schmelze 2 wird z. B. induktiv auf eine Temperatur, die oberhalb der Schmelztemperatur liegt, erhitzt. Nach dem Eintauchen des Keimkristalls wird die Schmelze in der Umgebung des Keimkristalls, also in der mit 3 bezeichneten Zone, unterkühlt. Bei der in der F i g. 1 dargestellten Temperaturverteilung in der Schmelze entsprechen also die mit 4, 5 und 6 bezeichneten Isothermen einer Temperatur T₁, T₂ und T₃, für die gilt: T₁ (T₂ { T₃, wobei T₁ eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleitermaterials ist. Infolge der Unterkühlung der Schmelze in der den Keimkristall umgebenden Zone wächst festes Halbleitermaterial aus der Schmelze am Keimkristall an. Durch das Ankristallisieren des Halbleitermaterials wird die Kristallisationswärme frei.

In Fi g. 2 sind die Isothermen 4,5,6 der Schmelze 2 im Tiegel mit den Temperaturen T₁, T₂, T₃ und die durch die frei werdende Kristallisationswärme bedingten Isothermen 10 und 11, die den wenigstens zwei Zwillingsebenen 8 und 9 aufweisenden Keimkristall 7 umgeben, dargestellt. Die Unterkühlung und die frei werdende Kristallisationswärme setzen Verfahren zum Herstellen von bandförmigen
Halbleiterkristallen

Zusatz zum Patent: 1162 329

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

München 2, Witteisbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dr. Werner Spielmann, Sindelfingen (Württ.);

Dr. Walter Heywang, München

sich ins Gleichgewicht, und es ergibt sich dadurch in der Umgebung des Keimkristalls 7 mit seinen Zwillingsebenen 8 und 9 die in F i g. 3 dargestellte, zu den Breitseiten des Keimkristalls symmetrische Temperaturverteilung. Die in dieser Figur dargestellten Isothermen entsprechen einer Temperatur T₁, T₂, T₃ und T₄, die nicht mit den in den F i g. 1 und 2 mit T₁, T₂ und T_s bezeichneten Temperaturen übereinstimmen, für die jedoch ebenfalls gilt: T₁(T₂(T₃(T^ wobei T₁ eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Halbleitermaterials ist. Diese Temperaturverteilung bedingt das Wachsen eines Dendriten mit Zwillingsebenen 8 und 9, dessen Querschnitt in F i g. 4 dargestellt ist und eine Η-Form aufweist. Die mit 12 und 13 bezeichneten Zwischenräume werden nachträglich während des Ziehens aufgefüllt. Für diesen nachträglichen langsamer erfolgenden Einbau von Halbleitermaterial in die Zwischenräume ist aber der Segregationskoeffizient der in der Schmelze enthaltenen Verunreinigungen ein anderer als für den zuerst gewachsenen einen H-förmigen Querschnitt aufweisenden Dendriten. Es entstehen somit pn-Übergänge, die sich vor allem deshalb, weil sie nicht reproduzierbar sind, nachteilig auswirken. Diese Wachstumsform, welche hauptsächlich durch thermische Gesichtspunkte zustande kommt, da für das schnelle Dendritenwachstum die Abweichung vom

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Claims

thermischen Gleichgewicht wesentlich ist, kann da- angeordnet und von denen zwei dargestellt und mit

durch vermieden werden, daß man die Temperatur- 26 und 27 bezeichnet sind, auf die Schmelzzone. Ein

verteilung umkehrt. Dies wird bei dem im Haupt- besonders steiler Temperaturgradient in der Schmelze

patent beschriebenen Verfahren bewirkt. senkrecht zu den Schmalseiten des Keimkristalls

In F i g. 5 ist die Temperaturverteilung dargestellt, 5 bzw. des an diesem anwachsenden Dendritenbandes

die eine Schmelze, die von einem festen Halbleiter- kann auf sehr einfache Weise dadurch erzielt werden,

körper getragen wird, bei dem im Hauptpatent daß man die Düsen an den Schmalseiten mit einer

beschriebenen Verfahren aufweist. Die F i g. 5 stellt größeren Austrittsöffnung versieht als die, die an den

dabei einen Querschnitt durch die Schmelzzone dar. Breitseiten des Dendritenbandes angeordnet sind.

Die Isothermen 14,15 und 16 entsprechen den Tem- ίο Die Unterkühlung des den Keimkristall benach-

peraturen T₃, T₂ und T₁, wobei T₃ eine Temperatur barten Teils der Schmelze kann auch dadurch erzielt

ist, die unterhalb der Schmelztemperatur des Halb- werden, daß der Halbleiterkörper in einer insbeson-

leitermaterials liegt und für die Temperaturen die dere strömenden Atmosphäre eines inerten Gases,

Bedingung T₁ ( T₂ ( T₃ gilt. das eine große Wärmeleitfähigkeit aufweist, angeord-

In F i g. 6 ist die Temperaturverteilung in einem 15 net ist. Dabei ist es gegebenenfalls günstiger, über der vertikalen Schnitt durch die Schmelze 18 und den zum Aufschmelzen des Halbleitermaterials des die Schmelze tragenden Halbleiterkörper 17 darge- Trägerkörpers 17 dienen Heizvorrichtung, also stellt. Die Temperatur der Schmelze in der Nähe der z. B. der Induktionsspule 18, noch, wie in Fig. 10 mit 19 bezeichneten Grenze flüssig-fest wird dabei dargestellt, eine Kühlschlange 31 anzuordnen. Die mittels einer Heizvorrichtung z. B. mittels einer nicht 20 Erhöhung des Temperaturgradienten an den Schmaldargestellten Induktionsspule, analog dem im Haupt- sehen kann dann mittels einer Anordnung gemäß patent beschriebenen Verfahren über dem Schmelz- F i g. 12 erreicht werden. Auch in dieser Figur ist punkt des Halbleitermaterials gehalten, so daß durch die Schmelze 18 von oben gesehen dargestellt. Zwei Nachführen des Trägerkörpers 17 in Richtung des Düsen 33, 34 werden oberhalb der Induktionsspule Pfeils 20 während des Dendritenziehens ständig 35 28 möglichst nahe an die Schmalseiten 23 und 24 neues Material aufgeschmolzen wird. Der ganze des Keimkristalls bzw. des bandförmigen Halbleiterobere Teil der Schmelzkuppe ist unterkühlt und weist körpers hingeführt und damit eine zusätzliche Kühdie dargestellte Temperaturverteilung auf, für die lung der Schmelze an den Schmalseiten, die stärker wieder gilt: T₁ (T₂(T₃ und die weitere Bedingung als die an den Breitseiten ist, hervorgerufen und da-T₃ kleiner als der Schmelzpunkt des Halbleiter- 30 durch der bereits vorhandene Temperaturgradient materials. Taucht man in einen solchen unterkühlten erhöht. Ansonsten entspricht die Fi g. 10 und 12 der Tropfen in der Mitte einen dendritischen Keimkristall F i g. 9.

ein, so wächst er rasch weiter. Die frei werdende Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Schmelzwärme bedingt den Aufbau einer Tempera- Erfindung kann ein besonders steiler Temperaturturverteilung, der durch die Isothermen 21 und 22 35 gradient senkrecht zu der Schmalseite des Keim-(F i g. 7) gekennzeichnet ist und die sich mit der in kristalle bzw. des an diesem anwachsenden Dender Schmelze vor dem Ankristallisieren vorhandenen dritenbandes erzeugt werden, wenn oberhalb der Temperaturverteilung T₁, T₂, T₃ ins Gleichgewicht Induktionsspule ein Kurzschlußring angeordnet ist, setzt. Wie aus der Fig. 7 ersichtlich, kann die der, wie im Hauptpatent näher erläutert wird, zu Kristallisationswärme an den mit 23 und 24 bezeich- 40 einer Schwächung des Feldes der Induktionsspule in neten Schmalseiten des dendritischen Kristalls den oberen Teilen der Schmelze führt. Dadurch wird rascher an die Oberfläche der Schmelze abgeführt die Erwärmung dieser Teile der Schmelze durch die werden als von den Breitseiten, wodurch die bereits Induktionsspule sehr gering gehalten. Dieser Kurzvorhandenen Temperaturgradienten noch erhöht schlußring hat beim Verfahren gemäß der Erfindung werden. Die übrigen Bezugszeichen entsprechen den- 45 vorteilhafterweise die in Fig. 11 dargestellte Form, jenigen der Fig.
2. In Fig. 11 ist die Schmelze 18 von oben gesehen

Durch die vorliegende Erfindung kann nun der dargestellt. Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Temperaturgradient noch weiter erhöht werden, da Kurzschlußring 32 z. B. durch Wasser gekühlt wird, durch die zusätzliche Verminderung der in der Durch die in Fig. 11 dargestellte Form des Kurz-Schmelze von der Heizvorrichtung in der Zeiteinheit 50 schlußringes wird erreicht, daß das Feld der in der erzeugten Wärme an den Schmalseiten des dendri- Figur nicht dargestellten Induktionsspule 28 an den tischen Kristalls eine weitere Erhöhung des Tempe- mit 23 und 24 bezeichneten Schmalseiten des Keimraturgradienten senkrecht zu den Schmalseiten er- kristalls 7 bzw. des an dem Keimkristall anwachsenzeugt wird. Der nach dem Verfahren gemäß der den Dendritenbandes stärker geschwächt wird als an Erfindung hergestellte bandförmige Halbleiterkristall 55 den Breitseiten. Dieser Effekt wird durch die Kühweist dann den in F i g. 8 dargestellten Querschnitt, lung des Kurzschlußringes noch weiter begünstigt. z. B. mit den Zwillingsebenen 8 und 9, auf. Mit 7, 8, 9 sind in den Fi g. 11 und 12 wieder der

In F i g. 9 ist ein Ausführungsbeispiel zur Durch- dentritische Kristall und die beiden Zwillingsebenen

führung des Verfahrens gemäß der Erfindung dar- bezeichnet,

gestellt. Der als Träger für die Schmelze 18 dienende 60

Halbleiterkörper 17 ist in Richtung des Pfeiles 30 Patentansprüche:
beweglich angeordnet. Mit der Induktionsspule 28

wird die Schmelze in der Nähe der mit 19 bezeichne- 1. Verfahren zum Herstellen von langgestreckten Grenze flüssig-fest über die Schmelztemperatur ten, insbesondere bandförmigen, dendritischen des Halbleitermaterials erhitzt. Während des Ziehens 65 Halbleiterkristallen durchziehen aus einer tiegeldes bandförmigen Halbleiterkörpers 25 in Richtung losen, gegebenenfalls dotierten Schmelze, die von des Pfeiles 29 strömt ein Kühlgas aus Düsen, die einem aus dem Halbleitermaterial der Schmelze ringförmig um den oberen Teil der Schmelzzone bestehenden Träger gehalten, von einer Heizvor-

richtung erwärmt und an dem der Ziehstelle benachbarten Teil unterkühlt wird, nach Patent 1162329, dadurch gekennzeichnet, daß durch unterschiedliche Schwächung der von der Heizvorrichtung der Schmelze zugeführten Wärmemenge im unterkühlten Teil die Schmelze an den Schmalseiten des Dendriten stärker unterkühlt wird als an den Breitseiten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze induktiv erhitzt wird und die in dem der Ziehstelle benachbarten

Teil der Schmelze erzeugte Wärmemenge durch einen die Form einer Ellipse aufweisenden Kurzschlußring unterschiedlich geschwächt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein gekühlter Kurzschlußring verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der der Ziehstelle benachbarte Teil der Schmelze mittels eines Gasstromes unterschiedlicher Stärke unterkühlt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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