DE1294931B

DE1294931B - Method for producing a homogeneous, crack-free body from a semiconductor alloy

Info

Publication number: DE1294931B
Application number: DE1965S0097497
Authority: DE
Inventors: Bucs; Dr-Ing Eugen Szabo De; Oesterhelt Gerhard
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-06-05
Filing date: 1965-06-05
Publication date: 1969-05-14
Also published as: NO118213B; BE681709A; NL6607746A; CH459154A; GB1106874A; SE335974B

Description

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Es bereitet Schwierigkeiten, einen Halbleiterkörper Entstehung der Senke bedeutet, daß die Dichte des aus einem Material mit negativem Ausdehnungs- geschmolzenen Materials unterhalb der Senke bekoeffizienten, beispielsweise aus einer Germanium- zogen auf den Querschnitt des Schmelzrohres nicht Silicium-Legierung, die sich also während des konstant ist. Es wird vielmehr die Dichte des ge-Erstarrens ausdehnt, homogen und rißfrei zu 5 schmolzenen Materials wegen der angreifenden Zenerschmelzen. trifugalkraft im Bereich der Rohrwandung größerIt causes difficulties in a semiconductor body formation of the sink means that the density of the made of a material with negative expansion - molten material below the sink be coefficient, for example from a germanium did not pull on the cross section of the melting tube Silicon alloy, which is therefore constant during the. Rather, it becomes the density of the solidification expands, homogeneous and crack-free to 5 molten material because of the attacking Zener melts. trifugal force in the area of the pipe wall greater

Wird eine solche Halbleiterlegierung in einem sein als im Bereich der Längsachse des Schmelz-Schmelzrohr ohne besondere Vorkehrungen er- rohres. Da die Rotation während des Erkaltens der schmolzen, so werden, ausgelöst durch die Aus- Schmelze unverändert fortgesetzt wird, dehnt sich dehnung, beim Erkalten an der Rohrwandung und io die erschmolzene Legierung während des Erkaltens im Inneren des erschmolzenen Körpers Kraftkompo- in diese Zone geringerer Dichte hinein aus. Eine nenten auftreten, die zur Rißbildung führen. Bekannt Rißbildung, die sonst durch die von der Rohrwanist es, derartige Legierungen nach dem waagerechten dung beim Erkalten ausgeübten Kräfte unvermeidbar »Zone-Leveling-Verfahren« unter Argonspülung her- ist, wird dadurch vermieden,
zustellen, dem jedoch der schwerwiegende Nachteil 15 Vorzugsweise werden die leichter flüchtigen Komder partiellen Entmischung der Legierungskompo- ponenten der Halbleiterlegierung zuerst in das nenten anhaftet. Unter dem Begriff »Zone-Leveling- Schmelzrohr eingebracht. Damit hat das erfindungs-Verfahren« wird ein Zonenschmelzverfahren ver- gemäße Verfahren besondere Vorteile für die Herstanden, bei dem eine schmale Schmelzzone ab- Stellung dotierten Halbleitermaterials, wenn der wechselnd in der einen und der anderen Richtung 20 Dotierstoff aus einer leicht flüchtigen Komponente durch den Halbleiterblock gezogen wird. Aus dem besteht. Bei dem »Zone-Leveling-Verfahren« und Zustandsdiagramm von Germanium-Silicium ist er- dem Ziehen eines Halbleiterstabes aus einer Schmelze sichtlich, daß bei einfachem Erstarren der Schmelze dampft während des langen Herstellungsprozesses eine Entmischung der Legierungskomponenten ein- aus der relativ großen Oberfläche der Schmelze ein tritt. Der Entmischungseffekt läßt sich verringern 25 großer Anteil an Dotiermaterial ab. Es ist so nur durch Diffusionsvorgänge an der Grenze zwischen schwer möglich, genau dotiertes Material und eine dem festen und dem flüssigen Material. Da nun homogene Verteilung der Dotierung zu erhalten. Bei der Diffusionskoeffizient von Silicium im Germa- dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren sind nium-Silicium-Mischkristall sehr gering ist, muß, dagegen die Verluste an leicht flüchtigem Dotierdamit dieser Effekt spürbar zum Tragen kommt, die 30 material wegen der Kürze der Verfahrenszeit und Wanderungsgeschwindigkeit der Schmelzzone hin- der im Verhältnis zur erschmolzenen Materialmenge reichend klein sein. Eine gute Homogenität erreicht sehr kleinen Oberfläche äußerst gering,
man bei dem bekannten Verfahren erst bei Wan- Zur Erzielung einer p-leitenden Germanium-Sili-Will such a semiconductor alloy be in a tube other than in the region of the longitudinal axis of the melting tube without special precautions. Since the rotation is continued unchanged during the cooling of the melt, triggered by the out-melt, elongation expands when cooling on the pipe wall and io the melted alloy during cooling inside the melted body Kraftkompo- in this zone less Dense in. A nents occur that lead to cracking. Known cracking, which is otherwise unavoidable due to the forces exerted by Rohrwanist, such alloys after horizontal expansion when cooling down, "zone-leveling process" under argon purging, is avoided.
However, this has the serious disadvantage. Introduced under the term »zone leveling melting tube. Thus, the process according to the invention has particular advantages for the production of a zone melting process in which a narrow melting zone is set off doped semiconductor material when the dopant alternates in one and the other direction from a highly volatile component through the Semiconductor block is pulled. That consists of. In the "zone leveling process" and state diagram of germanium-silicon, it is evident from the pulling of a semiconductor rod from a melt that if the melt simply solidifies, the alloy components will separate out of the relatively large surface area during the long manufacturing process Melt occurs. The segregation effect can be reduced by a large proportion of doping material. It is only possible through diffusion processes at the boundary between a hard, precisely doped material and a solid and a liquid material. Since now homogeneous distribution of the doping is obtained. In the case of the diffusion coefficient of silicon in the German manufacturing process according to the invention, nium-silicon mixed crystal is very low, but the loss of volatile doping so that this effect can be felt, the material because of the short process time and migration speed of the melting zone - that be sufficiently small in relation to the amount of melted material. A good homogeneity reaches very small surface extremely low,
one with the known method only at Wan- To achieve a p-conducting germanium-silicon

derungsgeschwindigkeiten von 3 bis 5 mm pro Stunde cium-Legierung wird das Grundmaterial vorzugs- und 3 bis 5 Zonendurchgängen. Zur Herstellung 35 weise mit Elementen der III. Hauptgruppe des eines Körpers von beispielsweise 70 mm Länge be- Periodensystems, z. B. mit Bor, Gallium oder Indium nötigt man also mit dem bekannten Verfahren eine dotiert. Eine «-leitende Germanium-Silicium-Legie-Zeit von etwa 70 Stunden. Außerdem treten bei die- rung wird vorzugsweise durch Dotieren mit Elemensem Herstellungsverfahren Risse im Halbleiterkörper ten der V. Hauptgruppe des Periodensystems, z. B. auf, so daß ein beträchtlicher Teil des Halbleiter- 40 Phosphor, Arsen oder Antimon, gewonnen. Dabei körpers nicht verwendbar ist. wird jeder einzelne Schleuderguß durch Einwaagechange speeds of 3 to 5 mm per hour cium alloy is the preferred base material. and 3 to 5 zone passes. To produce 35 wise with elements of III. Main group of a body of, for example, 70 mm in length according to the periodic table, e.g. B. with boron, gallium or indium if you need a doped with the known method. A «-conducting germanium-silicon-alloy period of about 70 hours. In addition, this is preferably done by doping with elements Manufacturing process cracks in the semiconductor body th of the V main group of the periodic table, z. B. so that a considerable part of the semiconductors, phosphorus, arsenic or antimony, is extracted. Included body is not usable. every single centrifugal cast is weighed in

Bekannt ist es weiterhin, eine Halbleiterlegierung der entsprechenden Menge Ausgangsmaterial vorbemit negativem Ausdehnungskoeffizienten aus einer reitet, wobei wegen der niedrigen Schmelzpunkte Schmelze zu ziehen und während des Ziehvorganges der Dotierungsstoffe für Material vom «-leitenden die Schmelze und den Halbleiterstab in Rotation zu 45 Typ diese am Boden des Quarzrohres angeordnet halten. Durch die Rotation wird eine Homogenisie- werden. Beim Aufschmelzen der Legierung wird rung der Schmelze und eine gleichförmige Wärme- so der Dotierstoff am Entweichen durch Verdampfen Verteilung in der Schmelzzone erhalten, die unab- gehindert.It is also known to prepare a semiconductor alloy with the appropriate amount of starting material negative coefficient of expansion from a rides, being because of the low melting points To pull the melt and during the pulling process the dopants for material from the «-conductive the melt and the semiconductor rod in rotation to 45 type these are arranged at the bottom of the quartz tube keep. The rotation will result in a homogenization. When the alloy is melted tion of the melt and a uniform heat- so the dopant on escape by evaporation Distribution in the melting zone is preserved that is unhindered.

hängig von der geometrischen Form und der räum- Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verliehen Anordnung einer zur induktiven Erhitzung 50 fahrens bestehen darin, daß die Halbleiterkörper in benötigten Hochfrequenzspule ist. Das Problem, Riß- einer für die Weiterverarbeitung günstigen zylindribildung im Halbleiterkörper zu vermeiden, wird sehen Form anfallen, so daß nur ein kleines Kopfdabei nicht gelöst. und Fußstück des Schmelzlings als Ausschuß abge-depending on the geometric shape and the spatial Further advantages of the award according to the invention Arrangement of a driving for inductive heating 50 consist in that the semiconductor body in required high frequency coil. The problem of cracking a cylindrical formation that is favorable for further processing to avoid in the semiconductor body, will see form, so that only a small head is involved unsolved. and foot piece of the melted part as scrap

Demgegenüber werden bei einem Verfahren zum trennt werden muß und schließlich, da das Ver-Herstellen eines Körpers aus einer Halbleiterlegie- 55 fahren nur so kurze Zeit beansprucht, Schnellproben rung, deren Ausdehnungskoeffizient im Bereich des einer Fertigungsserie zur Verfügung stehen, die nach Schmelzpunktes negativ ist, durch Erschmelzen und Messung der elektrischen Eigenschaften eine Modi-Erstarren der Legierung in einem senkrecht stehen- fizierung der Einwaage gestatten,
den, unten geschlossenen Schmelzrohr, das um die Zum Erschmelzen der Halbleiterlegierung wirdIn contrast, in a process for separating, and finally, since the production of a body from a semiconductor alloy only takes such a short time, quick samples are available whose expansion coefficients are in the range of a production series that is negative in terms of melting point Allow the alloy to solidify by melting and measuring the electrical properties in a vertical position of the initial weight,
the melting tube, closed at the bottom, which is used to melt the semiconductor alloy

Rohrachse rotiert, homogene und rißfreie Körper 60 vorzugsweise eine Hochfrequenzspule benützt, in der erhalten, wenn erfindungsgemäß eine Drehzahl ge- das Schmelzrohr axial verschoben wird. Zum Abwählt wird, bei der eine Senke in der Schmelze kühlen wird das Schmelzrohr aus der Hochfrequenzentsteht, spule herausgeschoben. Die Abkühlzeit kann dabeiTube axis rotates, homogeneous and crack-free body 60 preferably uses a high-frequency coil in which obtained when, according to the invention, a speed of rotation is axially shifted to the melting tube. To deselect in which a sink in the melt cools the melt tube from the high frequency, bobbin pushed out. The cooling time can be

Mit diesem Verfahren lassen sich homogene Halb- noch durch Verminderung der Hochfrequenzenergie leiterkörper mit beispielsweise 6 bis 15 mm Durch- 65 verkürzt werden. Um einen möglichst kontinuiermesser und einer Länge von etwa 15 mm innerhalb liehen Übergang zu erhalten, kann das Schmelzrohr von 5 Minuten rißfrei herstellen. Durch die Rotation axial innerhalb einer nach unten sich trichterförmig entsteht eine gute Durchmischung des Materials. Die erweiternden Hochfrequenzspule abgesenkt werden.With this method, homogeneous semi-even by reducing the high frequency energy Conductor body with a diameter of 6 to 15 mm, for example, can be shortened. To have as continuous a knife as possible and a length of about 15 mm within borrowed transition, the melting tube can be obtained of 5 minutes without cracks. Due to the rotation axially within a downwards it is funnel-shaped the material is well mixed. The widening high frequency coil is lowered.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren an Hand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist mit einer Modifikation des Heizungsteils in den F i g. 1 und 2 dargestellt.The method according to the invention is explained below using an exemplary embodiment. One Device for carrying out the method is with a modification of the heating part in the F i g. 1 and 2 shown.

Zur Herstellung eines homogenen Halbleiterkörpers aus einer dotierten Germanium-Silicium-Legierung wird die erforderliche Menge an Germanium, Silicium und Dotierstoff abgewogen und in ein Quarzrohr eingebracht. Hierbei muß das leichter flüchtige Material zuerst eingefüllt werden. Daraufhin wird das Quarzrohr zentrisch in eine Schleudervorrichtung eingespannt und mit Argongas gespült. Unter weiterer Spülung wird die Charge in dem Quarzrohr, vorzugsweise durch ein Hochfrequenzfeld, soweit erhitzt, bis der gesamte Inhalt geschmolzen ist. Bei schlecht an das Hochfrequenzfeld ankoppelndem Material wird durch Fremdheizung die Eigenleitfähigkeit der Charge soweit erhöht, bis die Ankopplung erfolgt. Als Starthilfe kann auch ein so geringer Zusatz bereits dotierten Materials dienen, der im Hochfrequenzfeld direkt ankoppelt, schmilzt und hierdurch auch das übrige Material zum Ankoppeln und Schmelzen bringt. Oberhalb des Schmelzpunktes wird die Schmelze etwa 2 Minuten geschleudert. Die erforderliche Drehzahl richtet sich nach dem durch die Größe des Stückes bedingten Rohrdurchmesser und dem spezifischen Gewicht des Materials. Im vorliegenden Fall wurde für einen Chargendurchmesser von 9 mm eine Drehzahl von 1500 bis 2000 Umdrehungen pro Minute gewählt. Nach dem Ausschalten des Hochfrequenzfeldes wird bis zur Erstarrung der Schmelze weitergeschleudert. Das erschmolzene Stück wird schließlich aus dem Quarzglas entnommen; zur weiteren Bearbeitung werden die beiden Endstücke abgeschnitten.For the production of a homogeneous semiconductor body from a doped germanium-silicon alloy the required amount of germanium, silicon and dopant is weighed out and put into a Introduced quartz tube. The more volatile material has to be filled in first. Thereupon the quartz tube is clamped centrically in a centrifugal device and flushed with argon gas. With further rinsing, the charge is in the quartz tube, preferably by a high-frequency field, heated until the entire contents are melted. With poor coupling to the high-frequency field Material is increased by external heating, the intrinsic conductivity of the batch until the Coupling takes place. Such a small addition of already doped material can also serve as a starting aid, which couples directly in the high-frequency field, melts and thereby also the rest of the material for coupling and brings melting. The melt is about 2 minutes above the melting point hurled. The required speed depends on the size of the piece Pipe diameter and the specific weight of the material. In the present case it was for a Batch diameter of 9 mm, a speed of 1500 to 2000 revolutions per minute was selected. After switching off the high-frequency field, the melt continues to spin until it solidifies. The melted piece is finally removed from the quartz glass; for further processing the two end pieces are cut off.

Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus zwei Teilen, von denen der eine dem Schleudervorgang und der andere zum Aufheizen der Charge dient. Die Schleudereinrichtung enthält ein rotierendes Spannrohr 1 mit einem Spannteil 2, in das das Quarzrohr 3 einführbar und zentrisch spannbar ist. Das Spannrohr 1 wird durch Kugellager 4 geführt und mittels eines in der Drehzahl regelbaren Motors 5 angetrieben. Zur Kontrolle der Drehzahl ist ein Drehzahlmesser 6 vorgesehen, durch den die Drehzahl des Schleuderrohres gemessen werden kann. Im Spannrohr befindet sich noch ein Rohr 7, durch das das Argongas eingeführt wird. Der Heizteil besteht aus einer Hochfrequenz-Induktionsspule 8, die von einem Hochfrequenzgenerator gespeist wird. Die Induktionsspule ist so angeordnet, daß sie die Schmelzcharge 9 vollständig umschließt.The in F i g. 1 shown device for performing the method consists of two parts, of one of which is used for the spinning process and the other for heating the batch. The centrifugal device contains a rotating clamping tube 1 with a clamping part 2 into which the quartz tube 3 can be inserted and can be clamped centrally. The clamping tube 1 is guided by ball bearings 4 and by means of a Motor 5 adjustable in speed is driven. A tachometer is used to control the speed 6 provided, through which the speed of the centrifugal tube can be measured. In the clamping tube there is also a pipe 7 through which the argon gas is introduced. The heating part consists of a high frequency induction coil 8 fed by a high frequency generator. The induction coil is arranged so that it completely encloses the melt charge 9.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 ist an Stelle einer zylindrischen eine trichterförmige Hochfrequenzspule 10 verwendet. Die Spule besitzt oben einen zylindrischen Teil 11 und unten einen kegelförmigen Teil 12. Das Quarzrohr 3 wird von oben her langsam durch die Spule hindurchgeführt. Hierbei wird die Charge im starken Hochfrequenzfeld des zylindrischen Teils zum Schmelzen gebracht und kühlt im sich abschwächenden Hochfrequenzfeld des kegelförmigen Teils ab. Bei diesem Verfahren lassen sich längere Chargen erschmelzen als sie der Spulenlänge entsprechen.In the embodiment according to FIG. 2 is a funnel-shaped high-frequency coil instead of a cylindrical one 10 used. The coil has a cylindrical part 11 at the top and a conical part at the bottom Part 12. The quartz tube 3 is slowly passed through the coil from above. Here the charge is melted in the strong high-frequency field of the cylindrical part and cools down in the weakening high-frequency field of the conical part. Leave this procedure longer batches are melted than correspond to the length of the coil.

Man kann als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren die einzelnen Komponenten der gewünschten Legierung oder eine bereits zusammengeschmolzene Legierung, gegebenenfalls im zerkleinerten Zustand, benutzen. Der letzte Fall kann bei extremen Anforderungen an die Homogenität ratsam sein. Außerdem können beim Vorschmelzen größerer Stücke Wägevorgänge eingespart werden.You can use the individual as a starting material for the production process according to the invention Components of the desired alloy or an alloy that has already been melted together, if necessary use in the crushed state. The last case can be in the case of extreme demands on the Homogeneity may be advisable. In addition, weighing operations can be saved when premelting larger pieces will.

Zu erwähnen ist noch, daß bei Halbleiterkörpern, die für thermoelektrische Zwecke gebraucht werden und deren Enden kontaktiert sein müssen, diese Kontaktierung beim erfindungsgemäßen Verfahren in einfacher Weise zu erreichen ist. Es wird ein Kontaktplättchen, beispielsweise ein Wolframplättchen, vor dem Einbringen der Charge in das Schmelzrohr eingelegt. Auf dieses Wolframplättchen wird das Halbleitermaterial beim Erschmelzen auflegiert.It should also be mentioned that in the case of semiconductor bodies which are used for thermoelectric purposes and the ends of which must be contacted, this contacting in the method according to the invention can be reached in a simple manner. A contact plate, for example a tungsten plate, is used placed in the melting tube before introducing the batch. On this tungsten plate is the semiconductor material is alloyed during melting.

Claims

Patent claims:

1. A method for producing a homogeneous, crack-free body from a semiconductor alloy, whose coefficient of expansion is negative in the area of the melting point, due to melting and solidification of the alloy in a vertical melting tube closed at the bottom, the rotates around the pipe axis, characterized in that that a speed is selected at which a depression is created in the melt.

2. The method according to claim 1, characterized in that the more volatile components the semiconductor alloy are first introduced into the melting tube.

3. Process according to Claims 1 and 2, characterized in that the melting tube is shifted axially within a high frequency coil.

4. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the melting tube axially lowered within a downwardly funnel-shaped widening high-frequency coil will.

1 sheet of drawings