DE1217926B - Verfahren zum Vermeiden von Streifen in Metall- oder Halbleiterkristallen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

BOId

Deutsche Kl.: 12 c-2

1217 926
S86783IVC/12C
17. August 1963
2. Juni 1966

Für das Herstellen von Halbleiterbauelementen, wie Dioden oder Transistoren, oder solchen, die auf den speziellen optischen Eigenschaften bestimmter Halbleiter beruhen, wie Ultrarotfilter, werden Halbleiter mit definiertem Störstellengehalt benötigt. Dabei sollen die in den Halbleiterkristallen enthaltenen Verunreinigungen völlig gleichmäßig verteilt sein. Inhomogenitäten verursachen unerwünschte Effekte, z. B. schlechte Sperrkennlinien in Gleichrichtern oder eine anisotrope Widerstandsänderung in Halbleitern mit hoher Beweglichkeit.

Die Homogenitätsforderung muß auch von Kristallen reiner Metalle, die noch Spuren von Fremdelementen enthalten, von den Metall-Mischkristallen und den Eutektika darstellenden Metall- oder Halbleiterkristallen erfüllt sein.

Es gibt aber bei diesen Kristallen Inhomogenitäten, die sowohl in gerichtet erstarrtem oder zonengeschmolzenem Metall als auch in Halbleiterkristallen als Streifen (striations) sichtbar gemacht werden können. Diese Streifen sind periodisch wiederholte Änderungen der Zusammensetzung des Kristalls, die über seinen gesamten Querschnitt, parallel zur Phasengrenze fest—flüssig verlaufen, in der der Festkörper gewachsen ist.

Als Ursache dieser Inhomogenitäten sind vom Erfinder periodische Temperaturschwankungen erkannt worden, die in Metall- bzw. Halbleiterschmelzen stets dann auftreten, wenn längs der flüssigen Phase Temperaturgradienten auf einer Strecke > 3 cm aufrechterhalten werden. Diese Temperaturschwingungen lassen sich weder auf Erschütterungen oder wechselnde Beheizung der Schmelze zurückführen, noch sind sie an das Vorhandensein bereits kristallisierten Materials gebunden.

Dementsprechend können solche Streifen aus periodisch voneinander abweichenden, über den Kristallquerschnitt verlaufenden Kristallzusammensetzungen in Metall- oder Halbleiterkristallen, die Verunreinigungen enthalten oder Eutektika darstellen, beim gerichteten Erstarren einer Schmelze mit einem Temperaturgradienten oder beim Zonenschmelzen vermieden werden, wenn erfindungsgemäß der Temperaturgradient beim gerichteten Erstarren bzw. die Länge der Schmelzzone beim Zonenschmelzen unter einem Wert gehalten wird, bei dem periodische Temperaturschwankungen in der Schmelze auftreten. Beim gerichteten Erstarren soll dazu der Temperaturgradient den Wert 2°C/cm nicht übersteigen, beim Zonenschmelzen soll die Länge der Schmelzzone höchstens 3 cm betragen.

Treten während des Normalerstarrens bzw. während

Verfahren zum Vermeiden von Streifen in Metalloder Halbleiterkristallen

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt: . .
Dr. Alfred Müller, Erlangen;
Dr. Manfred Wilhelm, Nürnberg

des Zonenschmelzens in einer eutektischen Schmelze bzw. eines Kristalls eutektischer Zusammensetzung Temperaturschwankungen auf, so äußert sich dies im

so erstarrten Kristall eutektischer Zusammensetzung in einer periodischen Folge von Streifen eutektischer Zusammensetzung und sogenannten Leerstreifen. Unter Leerstreifen werden solche Streifen verstanden, welche nur aus der Wirtskomponente bestehen, wenn die

as eutektische Konzentration der dispersen Phase in der Größenordnung einiger Gewichtsprozent und darunter Hegt.

Auch diese Art des inhomogenen Aufbaus von Halbleiter- oder Metalleutektika wird durch das erfin-

3» dungsgemäße Verfahren vermieden.

Beispiel 1

360 g InSb mit 10¹⁷ Atomen Te je Kubikzentimeter werden in ein Quarzboot (Länge 30 cm, Breite 2,5 cm, Höhe 2 cm) eingebracht. Das Quarzboot steht in einem beweglichen, beidseitig geschlossenen, horizontal gelagerten Quarzrohr (Φ$ = 3,6 cm), das auf einer Länge von 33 cm von einem gleichmäßig gewickelten Widerstandsofen umschlossen wird. Bei entsprechend eingestellter Ofenheizung mißt ein in die Mitte der Schmelze eingebrachtes, kleines Thermopaar (0,1-mm-Ni-NiCr-Drähte, durch ein doppelt durchbohrtes 0,8-mm-Degussitrohr geführt) beispielsweise eine mittlere Temperatur von 72O⁰C. Mit Hilfe des Thermoelements stellt man in Richtung zum Ofenausgang einen Temperaturabfall von etwa 15° C/cm fest. Weiter zeigt das Thermopaar an jeder Meßstelle periodische Temperaturschwankungen von maximal 9⁰C bei einer Frequenz von 0,1 Hz an. Zieht man das Quarzrohr mit Quarzboot, Schmelze und Thermoelement mit konstanter Geschwindigkeit aus dem Ofen, so erstarrt die Schmelze in dem Maß, wie sie den Ofen verläßt, bei einer Tem-

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peratur von 510⁰C. Te wird dabei mit wechselnder Konzentration, in periodisch sich wiederholenden Streifen in den polykristallinen InSb-Barren eingebaut, was durch Ätzen oder elektrische Messungen nachgewiesen werden kann.

Wiederholt man den Versuch bei einer so niedrigen Ofenheizung, daß das Thermoelement in der Mitte der Schmelze nur 540° C mißt, so fällt die Temperatur in der Schmelze zum Ofenausgang hin nur um ml⁰ C/cm. Das Thermoelement zeigt keine Temperaturschwankungen an. Im polykristallinen InSb, das aus dieser Schmelze wächst, sind Streifen weder durch Ätzen noch durch elektrische Messungen nachzuweisen.

Beispiel2

Zieht man durch einen InSb/NiSb-Barren von 30 cm Länge, 2,5 cm Breite und 1 cm Höhe, der sich in einem horizontal gelagerten Quarzboot befindet, mittels eines Bandstrahlers eine flüssige Zone von 4 cm Länge, so werden mit einem Thermoelement, wie es oben be- ao schrieben wurde, Temperaturschwankungen von «a 2,5°C gemessen neben einem Temperaturgradienten von etwa 20° C/cm. Das kristallisierte Eutektikum zeigt beim Ätzen periodisch wiederholte Streifen von InSb und InSb/NiSb-Eutektikum. as

Wiederholt man den Versuch bei verminderter Heizleistung des Bandstrahlers, so wird die flüssige Phase kurzer. Mißt sie weniger als 3 cm, so zeigt sie zwar einen mittleren Temperaturgradienten von ebenfalls 20° C/cm, jedoch keinerlei Temperaturschwankungen mehr. Das so kristallisierte Eutektikum ist streifenfrei.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Vermeiden von Streifen aus periodisch voneinander abweichenden, über den Kristallquerschnitt verlaufenden Kristallzusammensetzungen in Metall- oder Halbleiterkristallen, die Verunreinigungen enthalten oder Eutektika darstellen, beim gerichteten Erstarren einer Schmelze mit einem Temperaturgradienten oder beim Zonenschmelzen, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturgradient beim gerichteten Erstarren bzw. die Länge der Schmelzzone beim Zonenschmelzen unter einem Wert gehalten wird, bei dem periodische Temperaturschwankungen in der Schmelze auftreten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim gerichteten Erstarren der Temperaturgradient in der Schmelze den Wert von 2° C/cm. nicht übersteigt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Zonenschmelzen die Länge der Schmelzzone höchstens 3 cm beträgt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Betriebsbedingungen ein Thermoelement in die Schmelze eingetaucht wird.

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