DE1280820B - Verfahren und Vorrichtung zum Ziehen eines einkristallinen Halbleiterstabes - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

BOIj

Deutsche Kl.: 12 g-17/18

Nummer: 1280820

Aktenzeichen: P 12 80 820.7-43 (J 13843)

Anmeldetag: 12. Oktober 1957

Auslegetag: 24. Oktober 1968

Es ist bekannt, ein- oder polykristalline stabförmige Körper aus Halbleitermaterial, ζ. B. Germanium oder Silicium, dadurch herzustellen, daß ein Stück von sehr reinem Halbleitermaterial in einem Tiegel geschmolzen und ein Keimkristall mit der Schmelze in Berührung gebracht wird, der dann aus der Schmelze gezogen wird, so daß sich beispielsweise ein einkristalliner Stab an dem Keim durch Ankristallisieren des Materials der Schmelze bildet.

Bei der Anwendung dieses Verfahrens auf Silicium ίο treten große Schwierigkeiten auf, da kein geeignetes Tiegelmaterial bekannt ist, durch das das Silicium nicht verunreinigt wird.

Ferner ist in der deutschen Patentschrift 975 158 ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen beschrieben, bei dem ein einheitlicher langgestreckter stabförmiger Körper aus kristallinem Stoff verwendet wird, dessen beide Enden fest eingespannt sind. Zwischen den Enden wird eine Querschnittszone durch Erhitzen verflüssigt, und diese Schmelze wird durch ao den Stab der Länge nach hindurchbewegt. Der gegenseitige Abstand der eingespannten Stabenden wird während der Behandlung laufend vergrößert, so daß der Querschnitt des fertigen Schmelzlings kleiner als der Querschnitt des Ausgangskörpers ist.

Es ist auch bekannt, daß beim Zonenschmelzverfahren ein polykristalliner Stab verwendet wird, der dadurch gereinigt wird, daß die Verunreinigungen von der flüssigen Phase in die feste Phase übergehen. Bei dem bekannten Zonenschmelzen an Halbleiterstäbe, die senkrecht angeordnet und ohne Tiegel an beiden Enden eingespannt sind, wird die Schmelzzone durch ihre Oberflächenspannung an den angrenzenden Stabteilen festgehalten und zusammengehalten. Deswegen und im Hinblick auf möglichst gleichmäßige Temperaturverhältnisse müssen die Halbleiterkörper hier immer einen gleichmäßigen Durchmesser besitzen. Man kann auf diese Weise auch einkristalline Halbleiterstäbe erhalten, wenn man die Schmelzzone an einem Keimkristall beginnen läßt, ist aber auch dabei den vorstehend erwähnten Beschränkungen unterworfen.

Diese Nachteile werden bei dem vorliegenden Verfahren zum Ziehen eines einkristallinen Halbleiterstabes aus einer mittels einer feststehenden Heizung erzeugten Schmelze durch Eintauchen eines Keimkristalls in die Schmelze und anschließendes gleichmäßiges Herausziehen nach oben vermieden. Erfindungsgemäß wird die Schmelze auf dem oberen Ende eines am unteren Ende senkrecht gehalterten Halb- so leiterstabes durch Aufschmelzen des oberen Endes erzeugt, und während des Ziehens wird der die Verfahren und Vorrichtung zum Ziehen eines
einkristallinen Halbleiterstabes

Anmelder:

Deutsche ITT Industries G, m. b. H.,
7800 Freiburg, Hans-Bunte-Str. 19

Als Erfinder benannt:

Henley F. Sterling,

Frederick J. Raymond, London

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 16. Oktober 1956 (31424),
vom 1. April 1957 (10 513)

Schmelze tragende Stab so schnell von unten nach oben bewegt, daß die Schmelze in derselben Höhe bleibt.

Es können nunmehr Stäbe mit unregelmäßigei Form in solche mit gewünschten Abmessungen in einfacher Weise umgewandelt werden. Es ist also möglich, aus einem Halbleiterkörper größeren Durchmessers einen anderen mit wesentlich kleinerem Durchmesser und umgekehrt herzustellen. Weitere Unterschiede bestehen darin, daß die Schmelze ortsfest gehalten wird, weil die Heizung feststeht und die beiden Halbleiterstäbe relativ zur Heizung bewegt werden. Technisch ist es wesentlich einfacher, die Heizung stationär anzuordnen und die Halbleiterstäbe zu bewegen, als umgekehrt.

Die Erfindung soll im Hinblick auf die Zeichnungen näher beschrieben werden. In

F i g. 1 ist perspektivisch eine Heizspule dargestellt, mit der Silicium bei dem Verfahren gemäß der Erfindung erhitzt wird; in

F i g. 2 ist ein Schnitt durch die Heizspule nach Fig. 1 dargestellt;

F i g. 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Ziehen eines Stabes von Silicium ohne Benutzung eines Tiegels.

Die Heizspule 1 nach F i g. 1 besteht aus einem ringförmigen hohlen Kupferkörper, der durch einen schmalen Schlitz 2 aufgeteilt ist. Der Querschnitt des Kupferkörpers ist in Fig. 2 dargestellt, und zwar als

809 628/1646

Schnitt durch die Achse des Loches 3 parallel zur vorderen Fläche 4 des Körpers. Der Kupferkörper ist abgeschrägt, so daß die Dicke beim Loch 3 geringer ist als an der Außenseite 5 des Körpers.

Der Körper hat hohle Ansätze 6 und 7 an gegenüberliegenden Seiten des Schlitzes 2, durch die er an den massiven Platten 8 und 9 befestigt ist. Diese Platten sind mit Bolzen mit den Anschlüssen der Sekundärwicklung eines Leistungstransformators verbunden, der den Hochfrequenzwechselstrom für die Heizspule 1 liefert.

Die Rohre 10 und 11 stehen mit den entsprechenden Ansätzen 6 und 7 in Verbindung und dienen zur Zuführung und Abführung des Kühlwassers, das den Kupferkörper 1 "durchströmt.

In der schematischen Darstellung von F i g. 3 ist ein Glas- oder Quarzrohr 12 dargestellt, das dicht mit den Abschlußplatten 13 und 14 verbunden ist und die beiden Stäbe 15 und 16, die axial zueinander angeordnet sind, umschließt. Der Stab 15 trägt an ao seinem oberen Ende einen Körper 17 aus reinem Silicium, wie er z. B. bei der thermischen Zersetzung von Siliciumwasserstoff erhalten wird. Der Stab 16 trägt an seinem unteren Ende den Siliciumkeim 18. Durch die Platten 1 j und 14 verlaufen die Rohre 19 und 20. Durch das Rohr 19 wird Argon oder ein anderes inertes Gas eingeleitet und strömt durch das Rohr 20 wieder aus, so daß im Inneren der Umhüllung 12 eine inerte Atmosphäre aufrechterhalten wird.

Die in F i g. 1 dargestellte Heizspule 1 ist so um das Rohr 12 angeordnet, daß sie sich in Höhe des oberen Endes des Siliciumstückes 17 befindet. In F i g. 3 ist nur ein Teil der Heizspule 1 schematisch dargestellt. Durch das elektromagnetische Feld der Spule 1 wird eine kleine Menge Silicium am oberen Ende des Siliciumkörpers 17 geschmolzen. Diese geschmolzene Siliciummenge entspricht der Schmelze beim bekannten Tiegelziehverfahren.

Der Stab 16 wird zunächst nach unten bewegt, bis der Keim 18 in die Schmelze eintaucht und die Spitze des Keimes dabei geschmolzen wird. Durch einen geeigneten Mechanismus werden die Stäbe 16 und 17 kontinuierlich gedreht und nach oben bewegt, und zwar in solchem Maße, daß die geschmolzene Siliciummenge 21 zwischen dem Siliziumkörper 17 und dem Keim bleibt. Dabei wird ein Siliciumstab mittels des Stabes 16 aus der Schmelze gezogen, da dieser schneller nach oben bewegt wird als der Stab 15. Die Geschwindigkeit, mit der der Stab 15 nach oben bewegt wird, wird so eingestellt, daß die geschmolzene Zone immer in Höhe der Heizspule 1 bleibt.

Der Querschnitt der Heizspule ist in Fig. 2 dargestellt. Dieser ist so ausgebildet, daß das elektromagnetische Feld, das auf das geschmolzene Silicium einwirkt, in gleichem Sinne wie die Oberflächenspannung des Siliciums wirkt und das geschmolzene Silicium zusammenhält, so daß dieses nicht über die Kante des Siliciumkörpers 17 hinausläuft.

Es muß natürlich auch die Stärke des Stromes in Heizspule 1 und gegebenenfalls auch die Frequenz des Stromes so eingestellt werden, daß die zum Schmelzen nötige Energie auf das Silicium übertragen wird und daß außerdem durch das elektromagnetische Feld der Spule solche Kräfte erzeugt werden, daß die geschmolzene Zone des Siliciums stabilisiert wird. Der in F i g. 2 schraffierte Querschnitt der Spule 1 ist so ausgebildet, daß das elektromagnetische Feld die geschmolzene Zone zusammenhalt.

Infolge des hohen Widerstandes des reinen Siliciums in der Kälte ist es schwierig oder unmöglich, mit der Induktionsheizung des Siliciums durch die Spule! zu beginnen. Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, sind um das Rohr 12 zwei Metallringe 22 und 23 angeordnet, die in Fig. 3 im Schnitt dargestellt sind. Diese Ringe können beispielsweise aus rostfreiem Stahl bestehen und werden beim Beginn des Heizprozesses in die Nähe der Heizspule 1 gebracht. Durch das elektromagnetische Feld der Spule 1 werden die Ringe erhitzt und erhitzen ihrerseits durch Strahlung die Spitze des Siliciumkörpers 17 und das Ende des Keimes 18. Wenn der Widerstand des Siliciums genügend verringert ist, so daß es durch direkte Ankopplung an die Spule 1 erhitzt wird, werden die Ringe 22 und 23 aus dem Feld der Heizspule in die in F i g. 3 dargestellten Positionen gebracht.

Nach Beginn des Ziehprozesses werden die Stäbe 15 und 16 mit verschiedener Geschwindigkeit nach oben bewegt, wie dies bereits beschrieben wurde, wobei die Geschwindigkeiten ungefähr proportional dem Durchmesser des Siliciumkörpers bzw. des gezogenen Stabes ist.

Die elektromagnetische Rührwirkung, die durch das elektromagnetische Hochfrequenzfeld erzeugt wird, dient mit dazu, das geschmolzene Silicium am Schmelzpunkt zu halten.

Dem geschmolzenen Silicium kann bei Beginn des Ziehprozesses auch eine bestimmte Menge an wirksamen Störstoffen zugesetzt werden. Ein geringer Prozentsatz des Störstoffes ist dann im gezogenen Siliciumstab enthalten. Da das Volumen der Siliciummenge konstant bleibt und reines Silicium ohne Störstoffe konstant zugegeben wird, um das nach oben gezogene Silicium zu ergänzen, hat der Siliciumstab längs seiner Ausdehnung einen fast konstanten Widerstand. Dies ist insbesondere der Fall, wenn Störstoffe mit einem niedrigen Segregationskoeffizienten verwendet werden, d. h., wenn die Löslichkeit des Störstoffes in der flüssigen Phase des Siliciums größer ist als in der festen Phase.

Wenn der Ziehprozeß beendet ist, kann der gezogene Stab beispielsweise unmittelbar dem Zonenschmelzverfahren oder einem ähnlichen Verfahren in der gleichen Apparatur unterworfen werden.

Der verwendete Ausgangsstab aus Silicium, dessen, oberes Ende aufgeschmolzen wird, kann vorher in bekannter Weise durch thermische Zersetzung von Siliciumwasserstoff in der gleichen Apparatur hergestellt werden. Der Siliciumkörper braucht somit nicht aus der Apparatur entfernt zu werden.

Gemäß F i g. 4 ist der stabförmige Halbleiterkörper 17 von einem hohlen Metallmantel 24 aus einem Material hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit umgeben, z. B. aus Kupfer, Silber oder Gold, durch den Wasser zirkuliert, das durch die entsprechenden Rohre 25 und 26 zu bzw. abgeführt wird. Wie bereits oben erwähnt wurde, wird die Spule 1 von einem Hochfrequenzwechselstrom durchflossen und heizt die Ringe 22 und 23 durch Induktion. Durch die Wärmestrahlung dieser Ringe werden die Spitze des Keimes 18 und das Oberteil des Halbleiterkörpers 17, das über den Mantel 24 etwas übersteht, erhitzt.

Wenn der Widerstand des Siliciumkeimes 18 und des oberen Endes des Siliciumkörpers 17 genügend reduziert wurde, so daß diese durch die induzierten Ströme direkt erhitzt werden, werden die Ringe 22 und 23 aus dem Feld der Spule 1 entfernt. Nach dem Anschmelzen der Spitze des Siliciumkeimes und dem Schmelzen des Oberteiles des Siliciumkörpers 17 wird der Keim in die geschmolzene Siliciummasse getaucht. An dem Kühlmantel wird ein steiler Temperaturgradient erzeugt, so daß das Material, aus dem er besteht, einen niedrigeren Schmelzpunkt haben kann als das zu schmelzende Halbleitermaterial.

Wie bereits beschrieben wurde, werden die Stäbe 15 und 16 durch einen geeigneten Mechanismus dauernd gedreht und nach oben bewegt, und zwar mit einer solchen Geschwindigkeit, daß ein fester Siliciumstab aus dem geschmolzenen Material gezogen wird und dabei die Schmelze dauernd in der gleichen Höhe bezüglich der Heizspule 1 bleibt.

Die übrigen Bezugszeichen der F i g. 4 bedeuten das gleiche wie die entsprechenden Zeichen in F i g. 3.

Die obere Kante des Kühlmantels 24 wirkt wie ein geschlossener Leiter bzw. eine Kurzschlußwicklung, die an das elektromagnetische Feld der Spule 1 angekoppelt ist. Dadurch wird das Feld verändert bzw. verzerrt, so daß die Kräfte, die das geschmolzene Silicium an Ort und Stelle halten, so verändert werden, daß ein größeres Volumen des geschmolzenen Siliciums zusammengehalten werden kann, ohne daß es überläuft. Auf diese Weise können dickere Siliciumstäbe gezogen werden als ohne Kühlmantel.

Es soll noch erwähnt werden, daß dieselbe Wirkung erzielt werden kann, wenn man den Siliciumkörper 17 an seinem oberen Ende mit einem Metallring an Stelle des Kühlmantels 24 umgibt, jedoch hat die Verwendung des Kühlmantels den weiteren Vorteil, daß eine starke Abkühlung des Siliciumkörpers bewirkt wird, so daß das Silicium bis zur oberen Fläche des Kühlmantels fest bleibt. Dadurch wird die Tragfläche für die geschmolzene Siliciummenge angehoben, so daß diese bis über die Ebene der Spule 1 gehoben werden kann. Auf diese Weise können die elektromagnetischen Kräfte das verhältnismäßig große Volumen an geschmolzenem Silicium besser zusammenhalten.

Das geschmolzene Material soll infolge der elektromagnetischen Kräfte nicht mit dem Kühlmantel in Kontakt kommen.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Ziehen eines einkristallinen Halbleiterstabes aus einer mittels einer fest stehenden Heizung erzeugten Schmelze durch Eintauchen eines Keimkristalls in die Schmelze und anschließendes gleichmäßiges Herausziehen nach oben, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze auf dem oberen Ende eines am unteren Ende senkrecht gehalterten Halbleiterstabes durch Aufschmelzen des oberen Endes erzeugt wird und daß während des Ziehens der die Schmelze tragende Stab so schnell von unten nach oben bewegt wird, daß die Schmelze in derselben Höhe bleibt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizung eine aus einem hohlen Metallkörper bestehende Hochfrequenzheizspule angeordnet ist, durch die ein Kühlmittel zirkuliert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallring das Oberteil des zu schmelzenden Halbleiterstabes umgibt und der Heizspule so nahe ist, daß sich der Ring durch Ankopplung an das Spulenfeld erhitzt und Wärme auf das Oberteil des zu schmelzenden Stabes und den Keim strahlt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 642 792;
deutsche Patentanmeldung S 36998 VI a/40 d (bekanntgemacht am 23. 6.1955);

australische Patentschrift Nr. 166 223;
Chemie, Ingenieur, Technik, 1956, S. 362 ff.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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