DE1262978B

DE1262978B - Verfahren zum Herstellen eines Halbleitereinkristalls

Info

Publication number: DE1262978B
Application number: DE1965S0094926
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Rudolf Kappelmeyer; Dipl-Ing Alfred Muehlbauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-01-05
Filing date: 1965-01-05
Publication date: 1968-03-14

Description

Verfahren zum Herstellen eines Halbleitereinkristalls Um versetzungsarme Halbleitereinkristalle durch Ziehen des Kristalls aus der Schmelze herzustellen, ist es bekannt, einen möglichst ebenen Verlauf der Grenze zwischen dem festen Kristall und der Schmelze einzustellen. Man erhält dann bei Verwendung eines versetzungsarmen Keimkristalls versetzungsarm aus der Schmelze auskristallisierendes Material.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Qualität solcher Halbleitereinkristalle noch weiter zu verbessern.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleitereinkristalls durch Ziehen des Kristalls aus der Schmelze oder tiegelfreies Zonenschmelzen unter Verwendung eines einkristallinen Keims, bei dem während des Ziehens des Kristalls bzw. der Schmelzzone die Schmelze derart beheizt wird, daß die Erstarrungsfront des Einkristalls einen ebenen Verlauf aufweist. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor Beginn des Ziehvorgangs ein solcher Verlauf der Grenze zwischen dem Keimkristall und der Schmelze eingestellt wird und daß dann mit dem Einschalten der Ziehbewegung die Beheizung an dieser Grenze sukzessive derart abgeändert wird, daß diese Grenze weiterhin den vorher eingestellten, ebenen Verlauf unverändert beibehält.
Es wird also im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren die ebene Erstarrungsfront nicht nur während des eigentlichen Ziehvorganges, sondern auch während des Anlaufens des Vorganges beständig eingestellt.
Damit wird vermieden, daß die Erstarrungsfront infolge der auftretenden Erstarrungswärme entweder nur im eingefahrenen Fall oder nur bei der Ziehgeschwindigkeit Null einen ebenen Verlauf aufweist. Die beim bekannten Verfahren während des Anfahrens zwangläufig neu entstehenden Versetzungen werden dadurch vermieden.
Für die Durchführung des Verfahrens kann man eine Beheizung durch hochfrequenten Wechselstrom anwenden oder nützt den Peltiereffekt aus.
Das Auftreten einer gekrümmten Erstarrungsfront zeigt stets das Vorhandensein eines merklichen Temperaturgradienten in radialer Richtung an. Da der Gradient stets in Richtung vom Festen zum Flüssigen weist, folgt aus einer konvex gegen die Schmelze gekrümmten Erstarrungsfront, daß in der Umgebung der Erstarrungsfront Wärme von außen nach innen strömt, während eine konkav gegen die Schmelze gekrümmte Erstarrungsfront das umgekehrte Verhalten anzeigt. Da beim Ziehen an der Erstarrungsfront Wärme frei wird, zeigt sich dann eine stärkere Tendenz zum Auftreten einer konkav gekrümmten Erstarrungsfront als bei der Ziehgeschwindigkeit Null. Aus diesem Grund wird z. B. eine in Ruhe ebene Erstarrungsfront um so stärker konkav werden, je höher die Ziehgeschwindigkeit gewählt wird, während eine beim Ziehen ebene Erstarrungsfront vor dem Anfahren sicher nicht eben, sondern konvex gegen die Schmelze gekrümmt war. Um einer konvex gegen die Schmelze gerichteten Erstarrungsfront entgegenzuarbeiten, muß man demnach die Dichte der Wärmequellen im Zentrum des zu ziehenden Kristalls im Vergleich zu seinen äußeren Teilen in der Umgebung der Erstarrungsfront erhöhen oder für zusätzliche Kühlung in den äußeren Teilen sorgen. Umgekehrt wird man, um einer konkav gegen die Schmelze verlaufenden Erstarrungsfront entgegenarbeiten zu können, entweder im Zentrum der Erstarrungsfront für zusätzliche Wärmesenken oder in den Randgebieten der Erstarrungsfront für eine zusätzliche Erwärmung sorgen.
In den meisten Fällen wird die Aufschmelzfront, die sich nach dem Kontakt des Keimkristalls mit der Schmelze im Gleichgewicht einstellt, konvex gegen die Schmelze gekrümmt sein. Dies führt zu erheblichen Anfahrversetzungsdichten. Erzeugt man durch Peltiereffekt zusätzliche Wärmeentwicklung an der Erstarrungsfront, so wird zufolge den obigen Ausführungen die Erstarrungsfront abgeflacht oder gar in eine konkave Form umgewandelt. Gemäß der Erfindung wird man den Peltiereffekt so einstellen, daß sich zu Beginn des Ziehvorgangs z. B. eine ebene Erstarrungsfront ausbildet. Wenn nun die Ziehgeschwindigkeit von Null auf ihren endgültigen Wert wächst, wird dann entsprechend der Lehre der Erfindung die Peltierwärme derart reduziert, daß die ebene Erstarrungsfront auch bei der endgültigen Ziehgeschwindigkeit erhalten bleibt.
Hat man die Ziehvorrichtung so konstruiert bzw. eingestellt, daß die Erstarrungsfront im Ruhegleichgewicht eben ist, so wird man den obigen Ausführungen zufolge mit Zunahme der Ziehgeschwindigkeit für eine im Vergleich zum äußeren Teil der Erstarrungsfront stärkere Wärmeabfuhr im Zentrum in um so höherem Ausmaß sorgen, je größer die Ziehgeschwindigkeit wird. Das Verlangte wird durch die Peltierkälte geleistet, wobei man den den Peltiereffekt erzeugenden Gleichstrom vom Wert Null bei der Ziehgeschwindigkeit Null mit wachsender Ziehgeschwindigkeit erhöht: Gleichzeitig oder in Alternative hierzu kann man die Außenpartien des zu ziehenden Kristalls stärker aufheizen, indem man über Kristall und Schmelze einen Wechselstrom mit starkem Skineffekt fließen läßt, dessen Amplitude in ähnlicher Weise wie die Stärke des die Peltierkälte erzeugenden Gleichstroms vom Wert Null bei der Ziehgeschwindigkeit Null allmählich bis zu dem der endgültigen Ziehgeschwindigkeit korrelierten Endwert erhöht wird.
In der Figur ist eine geeignete Apparatur zur Durchführung des Verfahrens für das tiegellose Zonenschmelzen schematisch als Beispiel dargestellt. Die Halterungen 2 und 3 eines aus halbleitendem Material bestehenden Stabes 1 sind als Elektroden ausgebildet und dienen der Zufuhr von einer Gleichspannungsquelle 7 gelieferten Gleichstroms, dessen Stärke durch eine Vorrichtung 4 veränderbar ist. Zur Erzeugung einer geschmolzenen Zone 6 in dem Stab dient eine z. B. von Hochfrequenz durchflossene Heizvorrichtung 5, welche auf induktivem Weg die geschmolzene Zone erzeugt. Sie wird beispielsweise von unten nach oben durch den Stab geführt. Dann kommt es auf die Gestalt der Phasengrenze 8 an, die entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre zu behandeln ist. Hierzu dient der von der Gleichstromquelle 7 gelieferte Strom, der durch Peltiereffekt in der oben beschriebenen Weise dafür sorgt, daß die Erstarrungsfront beständig eben bleibt. Die erfindungsgemäße Maßnahme läßt sich auch bei Wechseln der Ziehgeschwindigkeit, z. B. beim »Rate-grown«-Verfahren, mit Vorteil anwenden.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleitereinkristalls durch Ziehen aus der Schmelze oder tiegelfreies Zonenschmelzen unter Verwendung eines einkristallinen Keims, bei dem während des Ziehens des Kristalls bzw. der Schmelzzone die Schmelze derart beheizt wird, daß die Erstarrungsfront des Einkristalls einen ebenen Verlauf aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor Beginn des Ziehvorgangs ein solcher Verlauf der Grenze zwischen dem Keimkristall und der Schmelze eingestellt wird und daß dann mit dem Einschalten der Ziehbewegung die Beheizung an dieser Grenze sukzessive derart abgeändert wird, daß diese Grenze weiterhin den vorher eingestellten, ebenen Verlauf unverändert beibehält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung durch ein zusätzliches Ein- bzw. Abschalten eines durch Peltiereffekt an der Erstarrungsgrenze wirksamen Gleichstroms abgeändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer konvex gegen die Schmelze gekrümmten Erstarrungsfront durch Reduktion der Dichte der Wärmequellen in den äußeren Teilen der Erstarrungsgrenze entgegengearbeitet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer konkav gegen die Schmelze gekrümmten Erstarrungsgrenze durch zusätzliche Kühlung in deren Zentrum oder durch zusätzliche Erwärmung an der Peripherie entgegengearbeitet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer zunächst konvex gegen die Schmelze gekrümmten Erstarrungsfront durch zusätzliche Peltierwärme entgegengearbeitet wird und daß dann bei zunehmender Ziehgeschwindigkeit die Entwicklung von Peltierwärme reduziert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung durch zunehmende Entwicklung von Peltierkälte geändert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung durch Anwendung eines Wechselstroms mit starkem Skineffekt und zunehmender Amplitude geändert wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1105 621, 1147 206, 1169 683; französische Patentschrift Nr. 1376 154; USA.-Patentschrift Nr. 3121619.