DE1243145B - Vorrichtung zum Zonenschmelzen von Kristallen, insbesondere von Halbleiterkristallen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES WSW PATENTAMT Int. Cl.:

BOId

AUSLEGESCHRIFT

	BOIj
Deutsche Kl.:	12c-2
Nummer:	1243 145
Aktenzeichen:	J22966IVc/12c
Anmeldetag:	30. April 1960
Auslegetag:	29. Juni 1967

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zonenschmelzen von Kristallen, insbesondere von Halbleiterkristallen, bei der sich die Kristalle als langgestreckter Schmelzung in einem Tiegel befinden.

In vielen Anwendungsfällen ist es vorteilhaft oder sogar notwendig, Materialien mit extrem hoch kontrollierter Reinheit in Form eines Einkristalls zu haben. Dieses Erfordernis besteht z. B. für Halbleitermaterial von Transistoren. Um die gewünschte einkristalline Reinheit zu schaffen, muß man Reinigungsverfahren anwenden, die leistungsmäßig weit über die üblichen chemischen Reinigungsverfahren hinausgehen.

Ein solches Verfahren ist das durch W. G. Pf ann bekanntgewordene Zonenschmelzen (vgl.W. G. P f a η η in »The Transaction of the American Institute of Metallurgical Engineers«, Bd. 194, Jg. 1952, S. 141 ff.). Nach D. C. Bennett und B. Sawyer kann das Zonenschmelzen auch dazu verwendet werden, um eine gegebene Menge von besonderen Störstoffen, welche im Grundkörper Donatoren oder Akzeptoren bilden sollen, über das Halbleitermaterial gleichförmig zu verteilen (vgl. D. C. Bennett und B. Sawyer in »Bell System Technical Journal«, Bd. 35, Jg. 1956, S. 637 ff.).

Beim Zonenschmelzverfahren läßt man durch einen langen, stabförmigen Schmelzung eine kurze geschmolzene Zone hindurchlaufen.

Wenn dann am Anfang des Stabes die Erstarrung beginnt, wird der Fremdstoff, der vorher mit einer Konzentration c gleichmäßig im Stabe vorhanden war, jetzt mit der Konzentration k · c ausgeschieden. Gleichzeitig schmilzt am Anfang der Zone ein gleich großes Stück des Stabes mit der Fremdstoffkonzentration wieder ein.

Das Zonenschmelzen läßt sich nach P fan η beliebig oft wiederholen. Dabei nimmt die Konzentration des Fremdstoffes, wenn k kleiner als 1 ist, am Stabanfang bei jedem Zonendurchgang angenähert um den Faktor k ab. Damit erzielt man eine außerordentlich wirksame Reinigung. Sie wird schließlich durch die an einem Ende angereicherten Fremdatome, die auf die übrigen Teile des Stabes zurückwirken können, begrenzt.

Die bekannte Zonenreinigungsapparatur enthält ein Quarzrohr, in dem sich ein Graphitschiffchen mit dem eingelegten Kristall, z.B. aus Germanium, befindet. Das Quarzrohr ist dabei evakuiert, oder es ist von einen Schutzgas, wie Wasserstoff, Stickstoff, Helium oder Argon durchströmt. Zur Heizung dienen mehrere wassergekühlte Hqchfrequenzspulen, die durch ihr Wechselfeld das Graphitschiffchen iin Be-

Vorrichtung zum Zonenschmelzen von
Kristallen, insbesondere von Halbleiterkristallen

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. R. Schiering, Patentanwalt,

Böblingen, Westerwaldweg 4

Als Erfinder benannt:
Gerard Robert Gunther-Mohr,
Wappingers Falls, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 30. April 1959 (809 957)

reich der Spule bis über den Schmelzpunkt des Germaniums erwärmen. Um die Reinigungswirkung zu vervielfachen, hat man beim Bekannten oft bis zu sechs Heizzonen hintereinander angeordnet (vgl. W. Heywang und H. Henker, »Physik und Technologie von Richtleitem und Transistoren« in der Zeitschrift für Elektrochemie, Bd. 58, Nr. 5 (1954), S. 283 bis 362, insbesondere S. 303).

Für das Zonenschmelzverfahren ist es fernerhin bekanntgeworden, eine Bogenlampe, deren Strahlung von einem Hohlspiegel au! die Oberfläche des Stabes konzentriert wird, zur Erzeugung einer mulden- bzw. kegelförmigen Schmelzzone zu verwenden. Diese Schmelzzone wird beim Bekannten von dem darunter in starrem Zustande verbleibenden Teil des Stabes getragen. Nach einer anderen bekannten Ausführungsform wird für die Bildung der Heizzone ein halb- torusförmiger Hohlspiegel benutzt. Dies ergibt allerdings keinen geriätnaefinierten Brennpunkt der Strahlung (vgl. die österreichische Patentschrift 194 444). Es ist auch durch Handley und H er ing ton bekanntgeworden, das Zonenschmelzen mit zwei Strahlungsreflektoren zu betreiben. Sie heizen mit Infrarotstrahlung, indem sie durch ein infrarotdurch- ~ lässiges "Fiberglas den Glühfaden einer 100-Watt-Projektionslampe mit Hilfe von Parabol- und sphärischen Konkavspiegeln auf die Mittelachse eines ge-

So schwärzten 100 bis 150 mm langen Rohres abbilden.

Später haben Handley und Herington (vgl.

Chem. Industries, 1956, S. 304) ihre Apparatur

709 60&

einfacht, indem sie die Spiegelkombination durch einen einzigen Ellipsoidreflektor ersetzten.

In dem einen Brennpunkt wurde die Lampe und im anderen, vom Spiegel weiter entfernteren, die Schmelzprobe angebracht. Trotz dieser Vereinfachung hat diese Apparatur den Nachteil, daß man nur mit einer einzigen Schmelzzone arbeiten kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Bekannte zu verbessern und die bestehenden Nachteile zu beheben.

Für eine Vorrichtung zum Zonenschmelzen von Kristallen, insbesondere von Halbleiterkristallen, bei der sich die Kristalle als langgestreckter Schmelzung in einem Tiegel befinden und Wärmestrahler und elliptische Reflektoren quer zur Längsachse des Schmelzlings zur Erzeugung der "Schmelzzonen durch Wärmestrahlen angeordnet sind, besteht danach die Erfindung darin, daß die Wärmestrahler paarweise für jede der Schmelzzonen angeordnet sind. Die Strahlerpaare sind vorteilhaft so angeordnet, daß sich die Schmelzzonen auf dem Schmelzung in Abständen von 2 cm bilden. Nach einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung sind die Strahlerpaare so angeordnet, daß die Schmelzzonen auf dem Schmelzung etwa 0,5 cm lang sind. Daß man höherschmelzende Kristalle in Quarzschiffchen od. dgl. zonenschmelzen kann, ist an sich bekannt.

Die Erfindung sei nachstehend an Hand der Zeichnung näher beschrieben.

In der Zeichnung ist das Halbleitermaterial mit 1 bezeichnet. Es gibt davon im Schiffchen 9 den ungereinigten Teil IA, zwei teilweise gereinigte Einkristallteile IBa und IBb und einen gereinigten Teil 3. Jeder dieser Teile ist von den benachbarten Teilen durch eine geschmolzene Zone IDa bzw. IDb bzw. IDc getrennt.

Da jede Schmelzzone laufend von dem Keimkristall IC fortschreitet, erstarrt das geschmolzene Halbleitermaterial an dem Keimkristall IC und es wird ein Einkristall aus gereinigtem Halbleitermaterial in der Wanderungsrichtung der geschmolzenen Zone von dem Keimkristall IC auswachsen.

Um eine Markierungslinie in der Zeichnung zu zeigen, ist der Keimkristall IC in der Querschnittsfläche etwas größer dargestellt als das Halbleitermaterial. Es besteht aber wesentlich kein solches Größenerfordernis für den Keimkristall an der Stirnseite 2. Die Wärmequellen zur Erzeugung der Schmelzzonen bestehen jeweils aus elliptischen Strahlungsreflektoren 4 A bis 4 C, die paarweise angeordnet sind. So erwärmen das Reflektorenpaar 4A die erste Schmelzzone IDa. Das Wärmestrahlerpaar 4 B sorgt für eine hinreichende Erhitzung der zweiten Schmelzzone IDb, und das Strahlerpaar 4C schafft die Hitze für die dritte Schmelzzone IDc.

In der Zeichnung ist mit 5 eine Abschirmung, z.B. aus Aluminiumfolie, bezeichnet, die dazu dient, die Temperatur des Keimkristalls IC und des Erstarrungsabschnittes zu überwachen und damit zu verhindern, daß die Wärme aus den Heizstrahlern 4 auf den Keimkristall einwirkt, wenn dieser unter den Strahlern hindurchläuft, wie an den Stellen 7 zu sehen ist. Die Wärmestrahler haben genügende Intensität und sind steuerbar, damit sie in dem Halbleitermaterial eine definierte Schmelzzone erzeugen.

Die Relativbewegung zwischen den Strahlungsquellen 4 und dem Halbleitermaterial 1 ist in der Zeichnung durch den Pfeil 6 angedeutet.

Damit der geforderte Reinheitsgrad des Halbleitermaterials erhalten bleibt, wird das Schmelzzonen-Reinigungsverfahren in einer Umgebung durchgeführt, welche frei ist von Verunreinigungen.

In der Praxis wird dies gewöhnlich mit Hilfe eines versiegelten Behälters, z. B. einer Quarzröhre 8, erreicht. Die Röhre kann evakuiert sein oder ein neutrales Gas enthalten, welches in die Röhre eingeschlossen wird oder welches während der Zonenreinigung über das Material 1 hinwegstreicht.

Das Schiffchen 9 kann aus Graphit bestehen und hat eine Länge von annähernd 30 cm bei einer Bodensenkung von wenigstens 2,5 cm Durchmesser.

Der Keimkristall IC kann aus monokristallinem Germanium bestehen. Seine Abmessungen an der Fläche 2 sind etwa 2,5 cm für den Durchmesser und 5 cm für die Länge.

Die Ellipsoidreflektoren haben einen Radius von 10 cm und in ihrem Brennpunkt eine Glühlampe von 1000 Watt. Der Brennpunkt befindet sich vorzugsweise in einem Abstand von 25 cm vom Halbleitermaterial 1 entfernt. Die Relativbewegung beträgt etwa 0,0025 cm pro Sekunde. Die Breite der Schmelzzone beträgt etwa 0,75 cm. Der ungefähre Abstand zwischen zwei Schmelzzonen ist 2 cm.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Zonenschmelzen von Kristallen, insbesondere von Halbleiterkristallen, bei der sich die Kristalle als langgestreckter Schmelzung in einem Tiegel befinden und Wärmestrahler und elliptische Reflektoren quer zur Längsachse des Schmelzlings zur Erzeugung der Schmelzzonen durch Wärmestrahlen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmestrahler (4A, 4B, 4C) paarweise für jede der Schmelzzonen (10 a, 10 b, 10 c) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlerpaare (4A, 4 B, 4C) so angeordnet sind, daß sich die Schmelzzonen auf dem Schmelzung in Abständen von 2 cm bilden.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlerpaare (4/4, 4B, 4C) so angeordnet sind, daß die Schmelzzonen auf dem Schmelzimg etwa 0,5 cm lang sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1014332,1032555; Pf ann, »Zone Melting«, 1958, S. 24, 27, 60 bis 62, 78.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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