DE1205949B - Verfahren zum Zuechten von Einkristallen aus der Schmelze durch Ziehen oder tiegelloses Zonenschmelzen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

BOIj

Deutsche Kl.: 12c-2

Nummer: 1205 949

Aktenzeichen: S 73418IV c/12 c

Anmeldetag: 11. April 1961

Auslegetag: 2. Dezember 1965

Einkristalle, die durch Ziehen aus der Schmelze oder durch tiegelfreies Zonenschmelzen hergestellt wurden, zeigen meistens noch zahlreiche Versetzungen, Zwillingsbildung u. dgl. Durch geeignete Ätzung können sie sichtbar gemacht werden und erscheinen als Ätzgrübchen oder Korngrenzen auf der Oberfläche des angeschliffenen und blankgeätzten Kristalls. Da diese Versetzungen beispielsweise die Lebensdauer der Minoritätsträger in Halbleitermaterial in unerwünschter Weise herabsetzen und bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen nach dem Legierungsverfahren zu einem ungleichmäßigen Legierungsangriff zu Beginn des Verfahrens führen, sucht man sie zu vermindern.

Beim tiegelfreien Zonenschmelzen hat man zu diesem Zweck einen Keimkristall mit einem wesentlich geringeren Querschnitt als der Halbleiterstab angeschmolzen. Hierdurch läßt sich erreichen, daß der axiale Temperaturgradient von dem Halbleiterstab zum Keimkristall wesentlich flacher verläuft, was zu einer Verminderung der Versetzungen führt.

Weiter ist beim tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterial mit mehrfachem Durchlauf der Schmelzzone bekannt, vor dem letzten Durchgang der Schmelzzone eine Verengung des Halbleiterstabes in unmittelbarer Nähe der Anschmelzstelle des Keimkristalls vorzunehmen. Auch diese Maßnahme führt zu einer Verringerung der Versetzungen.

Bei den bekannten Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen bzw. zum Ziehen aus der Schmelze werden stabförmige Körper gewonnen, welche entweder eine völlig unregelmäßige, z. B. mit Wülsten versehene Form aufweisen, oder die vermittels einer Regelung auf gleichmäßigen Querschnitt gebracht werden, wobei meistens mit Hilfe einer Drehung der Stabhalterung bzw. beider Stabhalterungen in gegenläufigem Sinne eine kreisrunde Querschnittsform erzielt wird.

Es zeigte sich nun, daß dieser kreisrunde Querschnitt, bei dem z. B. die Stabilität der Schmelzzone sehr gefördert wird, auch gewisse Nachteile aufweist. Beispielsweise zeigen Querschliffe solcher Stäbe aus Stoffen, die im kubischen System kristallisieren und deren Symmetrieachse eine [lll]-Achse ist, am Rand des Schliffes drei symmetrisch zueinander versetzte versetzungsreichere Gebiete. Es scheint, daß der Zwang, der auf das Kristallwachstum in Richtung der Symmetrie des Kreises ausgeübt wird, und der dem Bestreben des Kristalls, in Form von Tetraedern aufzuwachsen, widerstrebt, diese Versetzungen zur Folge hat. Die Erfindung sucht diesen Nachteil

Verfahren zum Züchten von Einkristallen aus der Schmelze durch Ziehen oder tiegelloses
Zonenschmelzen

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. rer. nat. Wolfgang Keller, Pretzfeld

zu vermeiden und dem aufwachsenden Kristall die ihm gemäßen Aufwachsbedingungen zu schaffen. Verformt man die Schmelze in solcher Weise, daß ihr Querschnitt der Projektion eines Tetraeders, also einem gleichseitigen Dreieck angenähert wird, so erhält auch das aufwachsende, aus der Schmelze wieder erstarrende Material einen der Projektion eines Tetraeders angenäherten Querschnitt. Derartig aufgewachsene Kristalle sind versetzungsärmer als andere Kristalle, welche ohne eine solche Verformung der Schmelzzone aufwachsen.

Beim Aufwachsen von Einkristallstäben, deren Symmetrieachse der [100]-Achse entspricht, wird der Querschnitt der Schmelze zu einem Quadrat, und bei Einkristallstäben, deren Symmetrieachse der [HO]-Achse entspricht, wird der Querschnitt der Schmelze zu einem Rhombus verformt

Für hexagonal kristallisierende Körper mit Längsachse C (0001) werden Verformungen des Querschnitts der Schmelze zu einem regelmäßigen Sechseck durchgeführt.

Ganz allgemein gilt, daß man bei einem Verfahren zum Züchten von Einkristallen, insbesondere aus Germanium oder Silicium, aus der Schmelze durch Ziehen oder tiegelloses Zonenschmelzen eine weitere Verarmung an Versetzungen in den Einkristallen erreicht, wenn erfindungsgemäß der Querschnitt der Schmelze zumindest im Bereich der Erstarrungsfront derart verformt wird, daß dessen. geometrische Zähligkeit senkrecht zur Wachstumsrichtung der kristallographischen Zähligkeit des Kristallgitters des Einkristalls in Wachstumsrichtung entspricht.

Die Mittel zur Verformung des Querschnitts können beispielsweise ein elektrostatisches Feld, ein elektromagnetisches Feld oder Gasstrahlen sein, die bereits

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zur Stützung der Schmelzzone beim tiegelfreien flächenkräfte der Schmelzzone aufheben und zu

Zonenschmelzen bekannt sind. einem Aufreißen der Schmelzzone führen. Bei der

Die Ausführungsbeispiele sind mit Bezug auf das elektrostatischen Beeinflussung der Schmelzzone

tiegeffreie Zonenschmelzen dargestellt. Beim Ziehen kann das tiegelfreie Zonenschmelzen nicht nur unter

aus der Schmelze ist nicht der Querschnitt der 5 Schutzgas sondern auch im Hochvakuum durchge-

Schmelzzone, sondern der Querschnitt der Schmelze führt werden.

an der Erstarrungsfront in der Nähe des aufwachsen- Besonders günstig ist die elektromagnetische Beden Einkristalls in der angegebenen Weise zu beein- einflussung der Querschnittsform der Schmelzzone, flüssen. Durch die Benetzung wird ein geringer Teil da sie beispielsweise unter Verwendung der bereits der z. B. in einem Tiegel befindlichen Masse der io für die Beheizung der Schmelzzone vorhandenen InSchmelze durch den eingetauchten Einkristall ange- duktionsspule durchgeführt werden kann. Fig. 4 hoben und kann in der erfindungsgemäßen Weise zeigt eine derartige Vorrichtung. Die Schmelzzone 21 verformt werden. ist von einer Induktionsspule 22 umgeben, welche

Fig. 1 zeigt schematisch eine Einrichtung zur Be- zur Beheizung der Schmelzzone dient. Eine Kapazi-

einflussung der Querschnittsform der Schmelzzone 15 tat 23 ist der Heizspule parallel geschaltet und bildet

durch Gasstrahlen in der Seitenansicht; mit dieser einen Resonanzkreis, welcher auf die

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch Fig. 1; in Frequenz des Heizgenerators abgestimmt ist. Es zeigt

F i g. 3 ist eine Vorrichtung zur elektrostatischen sich, daß die Heizwirkung bei höheren Frequenzen

Beeinflussung der Querschnittsform der Schmelzzone mehr in den Vordergrund tritt, während bei niedri-

dargestellt; ao geren Frequenzen die elektromagnetisch ausgeübte

Fig. 4 stellt eine Einrichtung zur elektromagne- Kraft auf die Schmelzzone größer wird. Es besteht

tischen Beeinflussung der Schmelzzone dar. nun die Möglichkeit, entweder einen Kompromiß

Die Beheizung der Schmelzzone kann an sich in zwischen diesen beiden gegensätzlichen Forderungen beliebiger Weise erfolgen, z. B. durch Strahlungs- zu schließen und die Heizspule beispielsweise mit wärme bzw. durch induktive Erhitzung. In Fig. 1 25 einer Frequenz von etwa 500 kHz zu speisen. Zweckbefindet sich zwischen dem unteren Teil 2 eines stab- mäßig werden beide Wirkungen voneinander getrennt förmigen Körpers und seinem oberen Teil3 die und, wie in Fig. 4 dargestellt, eine Speisung der Schmelzzone 4, welche mit Hilfe einer Flachspule 5 Induktionsspule mit einer Frequenz von 4 MHz vorbeheizt wird. Das Zonenschmelzen kann in bekann- genommen, welche der Heizwirkung dient, sowie ter Weise innerhalb eines geschlossenen Gefäßes 30 eine zweite Speisung mit einer Frequenz von 10 kHz durchgeführt werden. Dieses Gefäß und die Halte- vorgenommen, welche die notwendige Kraft auf die rungen des Stabes sind der Einfachheit halber fort- Schmelzzone ausübt Eine kleine Drossel 24 dient als gelassen worden. Tiefpaß, welcher die Frequenz von 4 MHz von der

Mit Hilfe von drei an der Spitze düsenförmig ge- 10-kHz-Stromquelle fernhält. Dieser Tiefpaß kann

stalteten Blasrohren 6 werden auf die Schmelzzone 4 35 auch beispielsweise als Serienresonanzkreis aufgebaut

drei Gasstrahlen geblasen, welche die Schmelzzone sein. Man kann auch Heiz- und Verformungsspule

in der Weise verformen, daß ihr Querschnitt einem völlig elektrisch und mechanisch voneinander tren-

gleichseitigen Dreieck angenähert wird. Vorteilhaft nen.

wird das auf die Schmelzzone geblasene Gas vorher Die Induktionsspule 22 kann beispielsweise als

stark erwärmt, damit eine Kühlung der Schmelzzone 40 Zylinderspule oder auch als Flachspule, wie in

vermieden wird. Das verwendete Gas muß den wei- Fig. 1 dargestellt, aufgebaut sein. Ihr Querschnitt

teren Anforderungen des Verfahrens genügen, bei- senkrecht zur Richtung der Stabachse muß in geeig-

spielsweise darf es bei Anwendung des Verfahrens neter Weise deformiert sein. Die Zylinderspule zeigt

auf Halbleitermaterialien keinerlei Verunreinigun- also nicht einen kreisförmigen, sondern einen in der

gen mit sich führen, die in das Halbleitermaterial 45 angegebenen Weise deformierten Querschnitt. Die

eingebaut werden könnten. Vorzugsweise finden die Spiralform einer Flachspule muß ebenfalls in der

bekannten Edelgase, wie Argon oder Helium, Ver- angegebenen Weise abgeändert werden.

Wendung. Derartige Induktionsspulen können beispielsweise

In F i g. 3 ist eine Vorrichtung zur elektrostati- aus außen versilberten Kupferrohren hergestellt wer-

schen Beeinflussung der Schmelzzone dargestellt. 50 den, durch welche ein flüssiges bzw. gasförmiges

Drei plattenförmige Elektroden 11 sind mit dem Kühlmittel während der Durchführung des Zonen-

einen Pol einer Hochspannungsquelle 12 verbunden, schmelzens hindurchfließt. Die zweckentsprechende

welche beispielsweise eine Gleichspannung von Deformation des Querschnitts kann leicht nach der

10 kV besitzt. Sie umgeben in symmetrischer Vertei- Herstellung einer zunächst normal gewickelten Zy-

lung den Halbleiterstab 13, welcher beispielsweise 55 under- bzw. Spiralspule vermittels mechanischer

über eine Halterung bzw. beide Halterungen mit dem Kraft bewirkt werden.

anderen Pol der Hochspannungsquelle 12 verbunden Zweckmäßig wird das erfindungsgemäße Verfahist. Bei einem Abstand der Elektroden von der ren bei jedem Durchgang der Schmelzzone angewen-Schmelzzone von etwa 2 mm beträgt die auf die det, wenn in bekannter Weise die Schmelzzone mehr-Schmelzzone ausgeübte Kraft etwa 10 g. Die elektro- 60 fach über die gesamte Stablänge geführt wird. Gestatisch ausgeübte Kraft bewirkt Ausbauchungen der gebenenfalls kann es aber auch ausreichen, wenn Ie-Schmelzzone in Richtung zu den Elektroden 11 hin. diglich beim letzten Zonendurchgang eine derartige Es muß hierbei darauf geachtet werden, daß diese Verformung des Querschnitts der Schmelzzone Ausbauchungen nicht zu groß werden, da sonst eine durchgeführt wird.

Zerstörung der Schmelzzone vorkommen kann. Da 65 Das Einkristallzüchten nach dem erfindungsgemä-

die elektrostatisch ausgeübte Kraft mit der Abnahme ßen Verfahren kann in an sich bekannter Weise mit

des Abstandes wächst, könnte in diesem Falle diese Hilfe von angeschmolzenen Keimkristallen vorge-

Kraft die zusammenhaltende Wirkung der Ober- nommen werden. Derartige Keimkristalle müssen

natürlich in passender Weise an den zu behandelnden Körper angesetzt werden. Wenn sie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnen werden, weisen sie bereits die geforderte Verformung des Querschnitts auf. Hier genügt es, sie in solcher Lage in die Einrichtung einzusetzen, daß ihr Querschnitt mit den zur Beeinflussung des Querschnitts der Schmelze vorgesehenen Mitteln harmoniert.

Falls keine solchen Keimkristalle zur Verfügung stehen, können auch nach anderen Verfahren ge- ίο wonnene Einkristalle für diesen Zweck verwendet werden. Zum Beispiel weisen Siliciumeinkristalle, die durch tiegelfreies Zonenschmelzen gewonnen werden und deren Stabachse eine [111]-Achse ist, auf ihren Oberflächen drei Wachstumsnähte auf. Diese Nähte liegen auf den Seitenmitten des zu fordernden dreieckigen Querschnitts der Schmelze.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Züchten von Einkristallen, insbesondere aus Germanium oder Silicium, aus der Schmelze durch Ziehen oder tiegelloses Zonenschmelzen, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Schmelze, zumindest im Bereich der Erstarrungsfront derart verformt wird, daß dessen geometrische Zähligkeit senkrecht zur Wachstumsrichtung der kristallographischen Zähligkeit des Kristallgitters des Einkristalls in Wachstumsrichtung entspricht.

2. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Züchtung eines Einkristalls, dessen Symmetrieachse eine [lll]-Achse ist, eine solche Verformung des Querschnitts der Schmelze bewirkt wird, daß dieser einem gleichseitigen Dreieck angenähert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Züchtung eines Einkristalls, dessen Symmetrieachse eine [10O]-Achse ist, eine solche Verformung des Querschnitts der Schmelze bewirkt wird, daß dieser einem Quadrat angenähert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Züchtung eines Einkristalls, dessen Symmetrieachse eine [110]-Achse ist, eine solche Verformung des Querschnitts der Schmelze bewirkt wird, daß dieser einem Rhombus angenähert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung durch ein elektrostatisches Feld bewirkt wird.

6. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung durch ein elektromagnetisches Feld bewirkt wird.

7. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung durch Gasstrahlen bewirkt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim tiegellosen Zonenschmelzen die Beheizung der Schmelzzone durch eine Induktionsspule erfolgt, die in der Querschnittsebene der Schmelze einer der angestrebten Verformung ähnliche Form aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule mit einer die Schmelze erhitzenden und einer sie verformenden Frequenz gespeist wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Österreichische Patentschrift Nr. 194 444.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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