DE1222903B - Verfahren zur Herstellung von Silicium-dendriten und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

COIb

Deutsche Kl.: 12 i-33/02

Nummer: 1222 903

Aktenzeichen: T 22097IV a/12 i

Anmeldetag: 11. Mai 1962

Auslegetag: 18. August 1966

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumdendriten aus einer Siliciumschmelze, wobei ein Keimkristall in Berührung mit der Oberfläche der Schmelze gebracht und ein Kristall unter Kühlung der Grenzfläche aus dieser gezogen wird, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist bekannt, dendritische Kristalle aus einer unterkühlten Germaniumschmelze zu ziehen. Dabei wird zunächst das Germanium zum Schmelzen auf eine Temperatur beträchtlich oberhalb des Schmelzpunktes erhitzt und anschließend wieder auf eine Temperatur abgekühlt, die nur sehr wenig oberhalb des Schmelzpunkts liegt. Wenn der Keimkristall in Berührung mit der Schmelze kommt, entzieht er dieser an der Berührungsstelle so viel Wärme, daß der an der Grenzfläche liegende Teil der Schmelze unterkühlt wird und erstarrt. Die dabei frei werdende Schmelzwärme muß so schnell abgeführt werden, daß die Temperatur der Germaniumschmelze stets sehr wenig oberhalb des Schmelzpunktes bleibt. Dies kann durch geeignete Steuerung der Heizeinrichtung erreicht werden.

Diese Maßnahmen haben bei der Herstellung von Germaniumdendriten befriedigende Lösungen ergeben; bei Silicium sind sie dagegen nicht ohne weiteres anwendbar. Bekanntlich besteht bei Silicium das Problem, daß eine Siliciumschmelze praktisch jedes bekannte Material »benetzt« und daran haftet. Es ist daher sehr schwierig, eine Siliciumschmelze, die sich in körperlicher Berührung mit einer festen Substanz befindet (beispielsweise dem Schmelztiegel), auf einer Temperatur zu halten, die sehr nahe beim Erstarrungspunkt liegt. Die feste Substanz, also die Wand des Schmelztiegels, wirkt dann wie Keime für die Siliciumschmelze und verursacht, daß das ganze geschmolzene Silicium auskristallisiert.

Das Ziehen von Siliciumdendriten aus einer Siliciumschmelze in der zuvor geschilderten Weise ist daher praktisch nicht möglich.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens der eingangs angegebenen Art, welches das Ziehen von Siliciumdendriten aus einer Siliciumschmelze ermöglicht, ohne daß die geschilderte Erscheinung eintritt.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Schmelze durch ein unterhalb der Grenzfläche zwischen der Schmelze und dem Kristall angeordnetes Kühlelement so gekühlt wird, daß der diese Grenzfläche und das Kühlelement umgebende Teil der Schmelze auf einer niedrigeren Temperatur als der Rest der Schmelze gehalten wird.

Verfahren zur Herstellung von Siliciumdendriten und Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens

Anmelder:

Texas Instrument Incorporated,

DaUas, Tex. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz, Dr. rer. nat. G. Hauser
und Dipl.-Ing. G. Leiser, Patentanwälte,
München-Pasing, Ernsbergerstr. 19

Als Erfinder benannt:

Philip Little Garner, Springfield, Va. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 12. Mai 1961 (109 636) - -

Die erfindungsgemäße Maßnahme ergibt die Wirkung, daß im wesentlichen nur der in Berührung mit dem Keimkristall stehende Teil der Siliciumschmelze auf die erforderliche Temperatur unterkühlt wird, während der Rest der Siliciumschmelze, insbesondere der mit der Tiegelwand in Berührung stehende Teil, auf einer wesentlich höheren Temperatur gehalten werden kann. Eine unbeabsichtigte Erstarrung dieses Teils der Siliciumschmelze wird dadurch wirksam verhindert.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Tiegel, einer Kristallziehvorrichtung und einer Heizeinrichtung ist vorzugsweise so ausgebildet, daß das Kühlelement ein nach oben ragender Vorsprung des Tiegelbodens ist.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Darin zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch einen Tiegel mit geschmolzenem Silicium, aus dem ein dendritischer Einkristall gezogen wird,

F i g. 2 eine Oberansicht der Anordnung von F i g. 1 zur Darstellung der Lage des Tiegelbodenvorsprunges und

F i g. 3 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung von F i g. 1.

In F i g. 1 und 2 ist ein Graphittiegel 2 dargestellt, der von Induktionsheizspulen 8 umgeben ist. Der Grpahittiegel 2 ist am Boden mit einer Öffnung 3 ver-

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sehen. In die Innenseite des Tiegels 2 ist eine Querzauskleidung 4 eng eingepaßt. Die Quarzauskleidung hat am Boden einen nach oben ragenden Vorsprung 10. Der Vorsprung 10 hat einen rechteckigen Querschnitt und ist an seinem Ende 12 geschlossen. Er liegt direkt über der Öffnung 3 des Graphittiegels 2. In die Quarzauskleidung 4 ist Silicium 6 eingebracht, das mit einem den Leitfähigkeitstyp bestimmenden Störstoff dotiert ist. Das Silicium wird auf eine über dem Schmelzpunkt liegende Temperatur erhitzt, wo- ι ο bei stets eine inerte Atmosphäre rings um die Schmelze aufrechterhalten wird. Der Spiegel der Siliciumschmelze liegt gewöhnlich 3 bis 5 mm über der Oberseite des Vorsprungs 10. Die Temperatur der Schmelze wird dann bis auf 1 oder 2° C über dem Erstarrungspunkt vermindert. Ein Einkristallkeim 18, der in der I₁ I₁ 2-Kristallrichtung geschnitten ist und durch eine in senkrechter Richtung bewegliche Zange 22 gehalten wird, wird in die Siliciumschmelze 6 so eingetaucht, daß er die Oberfläche der Schmelze in der unmittelbaren Nähe des geschlossenen Endes 12 des Vorsprungs 10 gerade durchstößt. Der Keim 18 wird in der Schmelze gehalten, bis sich der Siliciumdendrit zu formen beginnt. Dann zieht die bewegliche Zange 22 den Keim 18 und den wachsenden Kristall 16 von der Schmelze weg. Bei einer praktischen Ausführung wurde der Kristallkeim 18 nach dem Eintauchen in die Schmelze für etwa 10 Sekunden dort gehalten. Die Temperatur der Schmelze lag zwischen etwa 1425 und etwa 1435°C. Das Zeitintervall von 10 Sekunden gab dem Kristallkeim 18 die Möglichkeit, in die Schmelze einzuschmelzen. Nach der Zeitdauer von lOSekunden wurde der Kristall aus der Schmelze mit einer Geschwindigkeit von etwa 25 mm/min herausgezogen. Im Augenblick des Beginns des Kristallziehens wurde die Temperatur der Schmelze uin etwa 5° C vermindert. Die Temperatur der Schmelze in unmittelbarer Nähe der Bildungsstelle des Dendrits lag um etwa 5 bis 10° C unter dem Schmelzpunkt von Silicium, was auf die kühlende Fläche 12 zurückzuführen war. Somit bestand durch das Vorhandensein des als Kühlelement wirkenden Vorsprungs 10 ein Unterkühlungseffekt. Der Kristalldendrit begann mit einer geometrischen Form zu wachsen, die dem Querschnitt der Oberseite 12 des Vorsprungs 10 sehr ähnlich war. Es ■ wurde festgestellt, daß die Abmessungen des Dendrits nach Breite und Dicke um so kleiner waren, je größer die Ziehgeschwindigkeit war. Es ist jedoch bedeutungsvoll, daß die Form der Oberseite 12 des Vor-Sprungs 10 im wesentlichen die Form und Richtung bestimmt, in welcher der Dendrit aus der Schmelze wächst.

Bei der beschriebenen Vorrichtung liegt die Temperatur des Hauptteils der Siliciumschmelze 6 über 1420° C der Schmelztemperatur von Silicium. Jedoch liegt die Temperatur des Teils 14 der Siliciumschmelze in der näheren Umgebung des Kristalldendrits 16 und der Oberseite 12 des Vorsprungs 10 unter der Erstarrungstemperatur des Siliciums, und dieser Teil der Schmelze bleibt während des Wachstums des Dendrits in einem unterkühlten Zustand. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Vorsprung 10 als Kühlelement wirkt, das Wärme aus der Umgebung des Kristalldendrits 16 abführt und dadurch die Temperatur des Teils 14 der Schmelze herabsetzt Der Kristalldendrit 16 führt ebenfalls einen Teil der Wärme ab. Somit wird in der Mitte der Schmelze eine unterkühlte Zone erzeugt, obgleich der übrige Teil der Schmelze auf einer Temperatur gehalten wird, die über dem Schmelzpunkt liegt. Auf diese Weise wird verhindert, daß die Siliciumschmelze vollständig erstarrt.

Zur Verstärkung der Kühlwirkung kann, wie in F i g. 1 dargestellt ist, eine Gasleitung 24 zur Zuführung eines Kühlgases 26 (vorzugsweise eines inerten Gases) zu der Innenseite des Vorsprungs 10 verwendet werden.

In F i g. 3 ist eine andere Ausführungsform dargestellt, bei welcher der Vorsprung 50 einen kreisrunden Querschnitt hat. Der Vorsprung 50 ragt von dem Boden der Schmelze nach oben und hat in der Oberseite eine Öffnung 48. Ein inertes Gas wird mittels der Gasleitung 24 durch die Öffnung 3 des Tiegels in die Innenseite des Vorsprungs 50 so eingeführt, daß es in der Öffnung 48 auf die Siliciumschmelze auftrifft. Das geschmolzene Silicium fließt wegen seiner Viscosität und des von dem Gasstrom hervorgerufenen Druckes nicht durch die Öffnung 48 aus. Es wurde festgestellt, daß das Loch 48 in der Ober-seite des Vorsprungs 50 etwa die gleiche Wirkung wie der geschlossene Vorsprung von F i g. 1 ergab.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Siliciumdendriten aus einer Siliciumschmelze, wobei ein Keimkristall in Berührung mit der Oberfläche der Schmelze gebracht und ein Kristall unter Kühlung der Grenzfläche aus dieser gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze durch ein unterhalb der Grenzfläche zwischen der Schmelze und dem Kristall angeordnetes Kühlelement so gekühlt wird, daß der diese Grenzfläche und das Kühlelement umgebende Teil der Schmelze auf einer niedrigeren Temperatur als der Rest der Schmelze gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Grenzfläche und das Kühlelement umgebende Teil der Schmelze auf eine etwa 5 bis 10° C unter dem Erstarrungspunkt der Schmelze liegende Temperatur gekühlt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Tiegel, einer Kristallziehvorrichtung und einer Heizeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement ein nach oben ragender Vorsprung des Tiegelbodens ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung einen rechteckigen Querschnitt aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine auf die Unterseite des Vorsprungs gerichtete Kühlgaszuführang.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Vorsprung unterhalb der Grenzfläche eine Öffnung angebracht ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1130 414;
französische Patentschrift Nr. 1 264 317.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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