DE1278413B

DE1278413B - Verfahren zum Ziehen duenner stabfoermiger Halbleiterkristalle aus einer Halbleiterschmelze

Info

Publication number: DE1278413B
Application number: DES64875A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Rudolf Kappelmeyer; Hans-Friedrich Quast
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1959-09-11
Filing date: 1959-09-11
Publication date: 1968-09-26
Also published as: NL255530A; CH390554A; SE301794B; GB900562A; US3157472A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES ^W^SSS PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

BOIj

Deutsche KL: 12 g-17/18

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

P 12 78 413.3-43 (S 64875)

11. September 1959

26. September 1968

Ein Verfahren zum Herstellen von dünnen Halbleiterkristallstäben besteht darin, daß ein mit einer Schmelze in Berührung gebrachter und dann von ihr allmählich zurückgezogener Einkristall geschmolzenes Material mit sich führt, welches sukzessive unter Bildung eines stabförmigen Körpers mit einem von der Ziehgeschwindigkeit abhängigen Querschnitt erstarrt. Dabei kann das zur Bildung des dünnen Stabes benötigte Halbleitermaterial einer geschmolzenen Zone am Ende eines vertikalen dicken Stabes aus dem betreffendenreinenHalbleitermaterialentnommen und zwecks Ergänzung des von dem Keimkristall der Schmelzzone entnommenen Materials der dicke Halbleiterstab sukzessive in die geschmolzene Zone hineingeschoben werden. Der Vorgang wird unter Vakuum, gegebenenfalls auch unter Wasserstoff oder Argon durchgeführt.

Der Durchmesser des von dem Keimkristall mitgeführten flüssigen Materials hängt, wie gesagt, von der Geschwindigkeit, mit der der Keimkristall von der Schmelze zurückgezogen wird, sowie von der anfänglichen Berührungsfläche zwischen Keimkristall und Schmelze ab. Es ist ohne weiteres möglich, durch Anwendung entsprechend hoher Ziehgeschwindigkeit und entsprechend klein bemessenem Keimkristall kristalline Stäbe mit 3 mm Durchmesser und darunter zu ziehen. Auch die Anwendung von Blendenöffnungen, die bei der Formung des Stabquerschnittes mitwirken, ist bereits vorgeschlagen worden.

Bei der Herstellung von Halbleiterstäben unter 4 mm 0 nach dem beschriebenen Verfahren treten jedoch Störungen der gleichmäßigen Ausbildung der Kristalle in Gestalt von wellenförmigen periodischen Einschnürungen und Aufbauchungen auf. Diese lassen sich an sich durch Anwendung eines elektrischen Feldes während des Ziehvorganges vermeiden. So wurde ein zwischen Schmelztiegel und Halbleiterstab, gelegtes elektrostatisches Hochspannungsfeld mit Erfolg zur Vermeidung dieser Erscheinung verwendet.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ziehen dünner stabförmiger Halbleiterkristalle aus einer Halbleiterschmelze, wobei die Schmelze durch Erhitzen des oberen Endes eines aufrecht gehalterten Stabes aus dem betreffenden Halbleitermaterial, dessen Durchmesser größer als der des herzustellenden dünnen Stabes ist, durch Einwirkung einer das Stabende konzentrisch umgebenden Wärmequelle erzeugt und das Aufschmelzen so gesteuert wird, daß die Schmelze von dem nicht aufgeschmolzenen Teil des Stabes frei getragen wird, dann mit der Schmelze ein Keimkristall aus dem betreffenden Halbleiter in Be-

Verfahren zum Ziehen dünner stabförmiger
Halbleiterkristalle aus einer Halbleiterschmelze

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München,

8000 München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Ing. Rudolf Kappelmeyer,
8024 Oberhaching;
Hans-Friedrich Quast, 7800 Freiburg

rührung gebracht und mit einer so großen Geschwindigkeit von der Schmelze zurückgezogen wird, daß von dem Keimkristall aus der Schmelze ein dem Durchmesser des zu erzielenden Stabes entsprechender Strang von flüssigem Halbleitermaterial mitgeführt und progressiv zum Erstarren gebracht wird und ferner nach Maßgabe des Materialverbrauchs der Schmelze neue Teile des dickeren Halbleiterstabes in den die Schmelze erzeugenden Einflußbereich der Wärmequelle nachgeschoben werden.

Gemäß der Erfindung wird in an sich bekannter Weise an das vom Keimkristall mitgeführte flüssige Material ein elektrostatisches Feld zur Erzeugung eines gleichmäßigen Kristallwachstums angelegt und das elektrostatische Feld zwischen der Schmelze und einer ringförmigen Elektrode erzeugt, die in bereits vorgeschlagener Weise, den der Schmelze entnommenen dünnen Materialstrangs in Höhe der Erstarrungsgrenze konzentrisch umgibt.

Eine an allen Stellen der Oberfläche der Schmelze stattfindende Reduktion der Oberflächen, wie sie bei Verwendung der bekannten, der Vermeidung der oben genannten wellenförmigen Einschnürungen und Ausbauchungen dienenden Anordnungen zwangläufig ist, begünstigt jedoch beim tiegellosen Arbeiten ein Abtropfen der Schmelze. Es ist deshalb zweckmäßig, wenn der Wirkungsbereich des die Oberflächenspannung reduzierenden Feldes sich möglichst auf die

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Phasengrenze in dem vom Keimkristall hergeführten Materialstranges beschränkt und an den übrigen Oberflächenstellen der Schmelze möglichst gering ist. Um dies zu erreichen, wird beim Verfahren gemäß der Erfindung eine Ringelektrode in der Höhe der Phasengrenze im Materialstrang angeordnet und das elektrostatische Feld zwischen diese Elektrode und die Schmelze gelegt. Dadurch bleibt trotz der Anwesenheit eines die Oberflächenspannung an der gewünschten Stelle reduzierenden elektrostatischen FeI-des die mechanische Stabilität im wesentlichen erhalten.

Ergänzend soll an dieser Stelle noch bemerkt werden, daß die Anwendung von ringförmig, eine Schmelzzone umgebenden leitenden Gebilden zur LÖ-sung andersartiger Aufgabenbereits vorgeschlagenbzw. bekannt war. Zum Beispiel kann ein vom elektrischen Strom durchflossener leitender Ring zur Erzeugung bzw. zur elektromagnetischen Stützung einer geschmolzenen Zone beim tiegellosen Zonenschmelzen dienen. Bei einem anderen vorgeschlagenen Verfahren wird eine Ringelektrode zur kapazitiven Überwachung des Durchmessers eines aus einer Schmelze gezogenen Stabes verwendet.

Die anzuwendende Feldstärke hängt von der Oberflächenspannung des Halbleitermaterials, aus dem der Strang hergestellt werden soll, ab. Bei einem eine relativ starke Oberflächenspannung aufweisenden Halbleitermaterial, wie Süicium,. soll die senkrecht zur Oberfläche des Materialstranges stehende Komponente des elektrischen Feldes mindestens 5 KV/cm betragen. Für andere Halbleitermaterialien, z. B. Germanium, genügt ein kleinerer Wert.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist in der Figur dargestellt. Sie ist in einem evakuierten oder mit Schutzgas gefüllten Gefäß 16 untergebracht, welches mit entsprechenden Überwachungsmöglichkeiten der Anordnung, z. B. einem Beobachtungsfenster, ausgerüstet ist. Der zu gewinnende Halbleiterdünnstab wird aus einer Schmelze 2 gezogen, welche am oberen Ende eines aus dem betreffenden Halbleitermaterial bestehenden dicken, aufrecht stehenden Stabes 3 mittels einer Energiequelle 4, z. B. einer durch eine Hochfrequenzquelle 5 gespeisten Hochfrequenzspule, erzeugt wird. Dabei kann ein Reflektor die Wirksamkeit der Heizquelle noch erhöhen. Der Dünnstab wird mittels eines aus dem betreffenden Halbleitermaterial bestehenden angespitzten Keimkristalls 6 hergestellt, der nach Er- ,^₁ zeugung der geschmolzenen Zone 2 mit seinem angespitzen Ende mit dieser in bekannter Weise in Berührung gebracht und dann allmählich von ihr nach oben auf geradlinigem Wege zurückgezogen wird. Entsprechend der Geschwindigkeit, mit der dieses Zurückziehen vorgenommen wird, stellt sich der Durchmesser des zu ziehenden Dünnstabes 1 ein. Der Keimkristall befindet sich in einer Halterung?, die mittels eines Getriebes 8 in Richtung des Pfeiles 9 nach oben mit der gewählten Ziehgeschwindigkeit von der Schmelze 2 entfernt wird. Nach Maßgabe des Materialverbrauchs der Schmelzzone 2 müssen neue Teile des dicken Halbleiterstabes 3 aufgeschmolzen werden, was dadurch geschehen kann, daß der in einer Halterung 10 eingespannte dicke Stab 3 ebenfalls mittels eines Getriebes 11 nach oben in Richtung des Pfeiles 12 bewegt wird und damit sukzessive in den Einflußbereich der Wärmequelle 4 nachgeschoben wird. Dieses Nachschieben des Stabes 3 erfolgt zweckmäßig unter Verwendung einer der Ziehgeschwindigkeit des Keimkristalls 6 angepaßten automatischen Kopplung. Der nach dem Erstarren den Dünnstab bildenden, aus der Schmelze 2 laufend entnommene Dünnstab 1 ist in Höhe der Phasengrenze zwischen dem flüssigen und erstarrten Teil von einer Ringelektrode 14 konzentrisch umgeben. Zwischen dieser Ringelektrode und dem Dünnstab 1 liegt eine entsprechend bemessene Gleichspannung, welche die zur Vermeidung der besprochenen Störungen, erforderliche, die Wirkung der Oberflächenspannung kompensierende Feldstärke erzeugt. Die zu der Erfindung führenden Untersuchungen haben nämlich ergeben, daß die besprochene Störung auf Grund der Oberflächenspannung des betreffenden Halbleitermaterials hervorgerufen ist und daß deshalb eine Reduktion der Oberflächenspannung durch ein elektrisches Feld diese Störung auf relativ einfache Weise beheben kann. Dieses beträgt bei Silicium in Anbetracht der für diesen Halbleiter geltenden Oberflächenspannung mindestens 5 KV/cm. Bei anderen Halbleitern können entsprechend geringere Werte eingestellt werden. Dieser Wert gilt für die Normalkomponente der Feldstärke in Bezug auf die Oberfläche des Materialstranges 1.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Ziehen dünner stabförmiger Halbleiterkristalle aus einer Halbleiterschmelze, wobei die Schmelze durch Erhitzen des oberen Endes eines aufrecht gehalterten Stabes aus dem betreffenden Halbleitermaterial, dessen Durchmesser größer als der des herzustellenden dünnen Stabes ist, durch Einwirkung einer das Stabende konzentrisch umgebenden Wärmequelle erzeugt und das Aufschmelzen so gesteuert wird, daß die Schmelze von dem nicht aufgeschmolzenen Teil des Stabes frei getragen wird, dann mit der Schmelze ein Keimkristall aus dem betreffenden Halbleiter in Berührung gebracht und mit einer so großen Geschwindigkeit von der Schmelze zurückgezogen wird, daß von dem Keimkristall aus der Schmelze ein dem Durchmesser des zu erzielenden Stabes entsprechender Strang von flüssigem Halbleitermaterial mitgeführt und progressiv zum Erstarren gebracht wird, und ferner nach Maßgabe des Materialverbrauchs der Schmelze neue Teile des dickeren Halbleiterstabes in den die Schmelze erzeugenden Einflußbereich der Wärmequelle nachgeschoben werden, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise an das vom Keimkristall mitgeführte flüssige Material ein elektrostatisches Feld zur Erzielung eines gleichmäßigen Kristallwachstums angelegt wird, und daß das elektrostatische Feld zwischen der Schmelze und einer ringförmigen Elektrode erzeugt wird, die in bereits vorgeschlagener Weise dem der Schmelze entnommenen dünnen Materialstrang in der Höhe der Erstarrungsgrenze konzentrisch umgibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Ziehen von Siliciumstäben, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrecht zur Oberfläche des dünnen Materialstrangs stehende Komponente der elektrischen Feldstärke auf mindestens 5 KV/cm eingestellt wird.