DE1256626B

DE1256626B - Verfahren zur Herstellung von Halbleiterstaeben durch Ziehen aus der Schmelze

Info

Publication number: DE1256626B
Application number: DE1963S0084132
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Wolfgang Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1963-03-13
Filing date: 1963-03-13
Publication date: 1967-12-21
Also published as: CH416574A; BE645065A; GB1006034A

Description

NDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

RUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

BOId

BOIj
Deutsche Kl.: 12 c - 2

Nummer: 1256 626

Aktenzeichen: S 84132IV c/12 c

Anmeldetag: 13. März 1963

Auslegetag: 21. Dezember 1967

Es ist bekannt, einkristalline Halbleiterstäbe durch Ziehen aus der Schmelze nach Czochralski bzw. durch tiegelfreies Zonenschmelzen nach Theuerer herzustellen. Neuerdings ist das sogenannte Podest-Verfahren bekanntgeworden (s. »Growth and Perfection of Crystals«, herausgegeben von D or emus, Roberts and Turnbull, Verlag John Wiley & Sons, Inc. New York, und Chapman and Hall, Ldt., London, 1958, Aufsatz von Dash, S. 363). Auf einem geschlitzten Halbleiterstab wird eine tropfenförmige Schmelze erzeugt, beispielsweise mit Hilfe der Induktionsheizung, dann wird aus dieser Schmelze nach Eintauchen eines einkristallinen Keimkristalls ein Einkristall gezogen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterstäben durch Ziehen aus der Schmelze, bei dem ein Stabteil, insbesondere ein Keimkristall, in eine um ihre lotrechte Achse rotierende, beheizte Schmelze exzentrisch zur Rotationsachse der Schmelze eingetaucht und durch Herausziehen verlängert wird. Dieses Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze in an sich bekannter Weise durch Erwärmen eines zumindest nahezu zylindrischen Halbleiterstabes erzeugt wird, wobei eine lediglich in Richtung der Rotationsachse des Halbleiterstabes bewegliche Heizeinrichtung in an sich bekannter Weise von oben her auf die Schmelze einwirkt, derart, daß die Schmelze einseitig bis etwa zur Mitte ihres kreisförmigen Querschnittes beheizt wird, und daß der herzustellende Stabteil außerhalb des beheizten Teiles der Schmelze aus dieser gezogen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber den bekannten Verfahren verschiedene Vorteile auf. Mit dem Ziehen aus dem Tiegel läßt sich zwar durch Regelung der Temperatur der Schmelze und/oder der Ziehgeschwindigkeit eine Regelung des Durchmessers des aufwachsenden Halbleitermaterials erzielen. Bei Verwendung eines einkristallinen Keimkristalls lassen sich auf diese Weise auch Einkristalle größeren Durchmessers herstellen. Das Verfahren weist aber den Nachteil auf, daß aus der beheizten Tiegelwand Verunreinigungen, insbesondere Sauerstoff, in die Schmelze eindiffundieren können. Bei hochschmelzenden Stoffen, z. B. Silicium, treten weitere Schwierigkeiten dadurch auf, daß die Tiegelwand bereits plastisch verformbar wird. Beim tiegelfreien Zonenschmelzen bei konstantem Durchmesser hingegen lassen sich nur mit Schwierigkeiten Einkristalle mit einem Durchmesser von mehr als 25 mm Durchmesser herstellen. Die Herstellung von Einkristallen von mehr als 35 mm Durchmesser ist dabei so gut wie unmöglich.

Verfahren zur Herstellung von Halbleiterstäben
durch Ziehen aus der Schmelze

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. rer. nat. Wolfgang Keller, Pretzfeld

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hingegen lassen sich Halbleiterstäbe größeren Durchmessers mit Leichtigkeit herstellen, wobei auch Einkristalle dieser Größe gezüchtet werden können. Eine Verunreinigung durch Eindiffusion von den Tiegelwänden ist ausgeschlossen, da diese selbst aus hochreinem Halbleitermaterial bestehen.

Ein weiterer wichtiger Vorteil des erfindungs-

^a5 gemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß der entstehende Stab praktisch durch die Beheizung nicht gestört wird, und daß demzufolge ein aufwachsender Kristall besonders wenig Versetzungen aufweist. Dies ist insbesondere bei der Herstellung von einkristallinen Halbleiterstäben für elektronische Bauelemente wichtig. So wird beispielsweise der entstehende Halbleiterstab außerhalb des Feldes der Induktionsheizspule erzeugt, wenn die Beheizung durch Induktion erfolgt.

In den Figuren sind Ausführungsbeispiele für Apparaturen dargestellt, mit deren Hilfe das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. F i g. 1 zeigt eine Vakuumkammer, in der das ererfmdungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann; Fig.2 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstab und perspektivischer Darstellung;

die F i g. 3, 4 und 5 zeigen andere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl unter Schutzgas als auch im Vakuum durchgeführt werden. In F i g. 1 ist eine Vakuumkammer für diesen Zweck dargestellt. Ein kastenförmiges Gehäuse 2 besitzt ein Sichtglas 3, durch welches die Durchfuhrung des Verfahrens innerhalb der Kammer beobachtet werden kann. Mit Hilfe einer an den Anschlußstutzen 4 angeschlossenen Evakuiereinrichtung

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kann die Kammer evakuiert werden. Innerhalb der Kammer befindet sich ein dickerer Stab 5 sowie ein dünnerer Stab 6, der aus dem dickeren Stab erzeugt wird. Zwischen beiden befindet sich eine Schmelze 7. Die Schmelze kann durch Strahlungsheizung, Elektronenstrahlen oder beispielsweise durch eine Induktionsspule 8 erzeugt werden. Die Induktionsspule 8 ist an einem Träger 9 befestigt, welcher durch eine vakuumdichte Durchführung 10 im Boden der Kammer 2 nach außen geführt ist. Der Träger 9 enthält sowohl die elektrischen Zu- und Abführungen zu der Heizspule als auch die Zu- und Abführungen eines Kühlmediums, mit dessen Hilfe die Heizspule gekühlt wird. Der Pfeil 11 soll andeuten, daß die Heizspule 8 an dem Träger 9 von außen her in lotrechter Richtung bewegt werden kann.

Der Dickstab 5 ist in einer unteren Halterung 12 gehalten, die an einer Führungsstange 13 befestigt ist, welche ebenfalls durch eine vakuumdichte Durchführung 14 nach außen geführt ist und von außen in lotrechter Richtung bewegt sowie gedreht werden kann.

Der dünnere Stab 6 ist in ähnlicher Weise in einer oberen Halterung 15 gehalten, die an einer Welle 16 befestigt ist. Diese Welle 16 ist ebenfalls durch eine vakuumdichte Durchführung 17 nach außen geführt und kann von außen sowohl in lotrechter Richtung verschoben als auch um ihre eigene Achse in Drehung versetzt werden.

In Fig. 2 ist der Teil des Dickstabes und des Dünnstabes in vergrößertem Maßstab herausgezeichnet, an dem diese beiden Stabteile einander in der Schmelze berühren. Wie aus der Zeichnung zu erkennen ist, liegt der dünnere Stabteil 6 außerhalb des Hauptfeldes der Heizspule 8 und kann deshalb völlig ungestört aufwachsen. Beim Aufschmelzen der Stirnfläche des dickeren Stabteils 5 wird durch die Heizspule 8 eine Heizwirkung auf den unter ihr liegenden Teil der Stirnfläche ausgeübt. Durch die ständige Drehung des dickeren Stabteils 5 um seine Stabachse läßt sich erreichen, daß jeder Teil der Oberfläche des Dickstabes in den Bereich der Heizwirkung gelangt. Der Dünnstab 6 hingegen, der exzentrisch zur Stabachse des Dickstabes 5 angeordnet ist, wird nicht wesentlich durch die Heizeinrichtung beeinflußt. Selbstverständlich kann an Stelle der einwindig dargestellten Heizspule 8 auch eine Heizspule mit mehreren, beispielsweise zwei oder drei, Windungen verwendet werden. Vorteilhaft wird auch der Dünnstab 6 in bekannter Weise um seine eigene Achse gedreht, wodurch ein symmetrisches Aufwachsen gesichert wird. Bei dem Dickstab 5 handelt es sich zweckmäßigerweise um einen zylinderförmigen Halbleiterkörper. Geringere Abweichungen vom Durchmesser spielen keine Rolle. Auch geringe Abweichungen von der Form des Zylinders, z. B. zu der Form eines Kegels mit geringer Steilheit der Kegelfläche sind für das Verfahren nicht schädlich. Selbstverständlich ist es besonders vorteilhaft, wenn ein nahezu geometrisch vollkommener Zylinder vorliegt.

In F i g. 3 ist der Bereich der Schmelze 7 in der Aufsicht dargestellt.

In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform dargestellt. Es wird hierbei eine Induktionsheizspule Sa verwendet, welche die Form eines Kreissektors aufweist. Die Spitze des Kreissegments weist auf die Rotationsachse des zylinderförmigen Dickstabes.

Diese Form der Beheizung führt zu einer über die gesamte Fläche der Schmelze ziemlich gleichmäßige Eindringtiefe der Beheizung.

Vorteilhaft wird nicht die gesamte Oberfläche des Dickstabes 5 beheizt, sondern ein gewisser Rand stehengelassen, welcher das Abtropfen der Schmelze sicher verhindert.

Es ist hierbei zweckmäßig, der Schmelze ständig neues Material von außen zuzuführen und damit ein

ίο Aufbrauchen des zylinderförmigen Halbleiterkörpers 5 zu verhindern. In diesem Fall kann der zylinderförmige Halbleiterkörper verhältnismäßig kurz gehalten werden, wie F i g. 5 zeigt. Vorzugsweise wird das Halbleitermaterial, das der Schmelze zugeführt wird, ebenfalls in Form eines Halbleiterstabes zugeführt. Es wird vorzugsweise im Bereich der Heizwicklung zugeführt, damit es möglichst schnell schmilzt. Im Falle der Beheizung durch eine Induktionsheizspule wird das zusätzliche Material, der Stab

ao 18, durch die Heizspule hindurch der Schmelze zugeführt. Vorzugsweise ist der zylinderförmige Halbleiterkörper 5 in diesem Fall beispielsweise von einem Graphittiegel 19 umgeben. Zwecks Verminderung der Heizleistung, die für die Induktionsheizspule 8 benötigt wird, wird der Graphittiegel 19 zu einer Vorheizung herangezogen, z. B. im Falle der Behandlung von Silicium zu einer Vorheizung des zylinderförmigen Halbleiterkörpers bis auf etwa 1200⁰C. Es kann auch eine andere Form der Vorheizung vorgesehen sein, z. B. mit Hilfe einer Induktionsheizspule, welche den Dickstab 5 in der Nähe der Schmelze 7 umgibt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Halbleiterstäben durch Ziehen aus der Schmelze, bei dem ein Stabteil, insbesondere ein Keimkristall, in eine um ihre lotrechte Achse rotierende, beheizte Schmelze exzentrisch zur Rotationsachse der Schmelze eingetaucht und durch Herausziehen verlängert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze (7) in an sich bekannter Weise durch Erwärmen eines zumindest nahezu zylindrischen Halbleiterstabes (5) erzeugt wird, wobei eine lediglich in Richtung der Rotationsachse des Halbleiterstabes (5) bewegliche Heizeinrichtung (8) in an sich bekannter Weise von oben her auf die Schmelze (7) einwirkt, derart, daß die Schmelze (7) einseitig bis etwa zur Mitte ihres kreisförmigen Querschnittes beheizt wird, und daß der herzustellende Stabteil (6) außerhalb des beheizten Teiles der Schmelze (7) aus dieser gezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelze Halbleitermaterial in Stabform von oben im Bereich der Heizwirkung zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper nicht bis zum Rand des kreisförmigen Querschnitts aufgeschmolzen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1002741,
1132097, 1141978;

britische Patentschriften Nr. 775 817, 882 570.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen