DE1444503C - Verfahren zur Herstellung eines Halbleitereinkristalls durch Abkühlen einer Schmelze - Google Patents

Description

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diesem Fall der Berührungswinkel zwischen der einer Zwillingsebene als Wachstumszentrum. Es kann

Schmelze und der Unterlage 5 in axialer Richtung angenommen werden, daß dann das Eckenwachstum

des Gußblockes größer als 90° ist, ist der Bereich in aufhört, und zwar entweder als Folge einer auf Grund

der Umgebung des äußersten Endes la der freien der Kristallisationswärme verminderten Unterkühlung

Oberfläche der Schmelzzone 7 völlig ohne Berührung 5 der Schmelze und Erreichen eines thermischen

mit der Unterlage 5. Gleichgewichtes, oder infolge der Krümmung der

Nach Erreichen des obigen Zustandes wird der freien Oberfläche des äußersten Endes la der

Heizofen 8 in Richtung des Pfeiles A konzentrisch Schmelzzone 7. Danach wächst die {lll}-Ebene,

zum Block 6 bewegt, und zwar mit einer Geschwin- welche die Hauptfläche des Plättchenkristalls dar-

digkeit von etwa 30 mm/h, worauf sich ein einzelner io stellt, gemäß der Bewegung des Heizofens nach dem

kleiner Kristallkeim im Bereich des äußersten Endes üblichen Wachstums-Vorgang in Richtung ihrer

la der freien Oberfläche der Schmelzzone bildet. Dicke, d.h. in der (111)-Richtung, womit der ge-

Dieser Kristallkeim wird zum Keimkristall, und die samte Stab zu einem Einkristall wird.

Erstarrung schreitet weiter. Durch Weiterbewegen Ein Querschnitt durch die Schmelzzone ist in

der Schmelzzone in der Richtung des Pfeiles A, wo- 15 F i g. 3 dargestellt. Dieser Schnitt ist entlang einer

bei ein Temperaturgradient in der Umgebung dieses Ebene senkrecht zum Kristallwachstum geführt. Ein

Kristallkeims in der Größe von 20° C/cm bezüglich ähnlicher Querschnitt für den Fall üblichen, bekann-

der Bewegungsrichtung des Heizofens eingehalten ten Zonenschmelzens ist in F i g. 4 dargestellt. Wie

wird, wächst der Stab zu einem vollständigen Ein- sich aus F i g. 3 ergibt, ist bei der Erfindung die

kristall. 20 Berührung zwischen der Unterlage 10 und der

Es hat sich gezeigt, daß unter den obigen Ver- Schmelze 13 derart, daß von den Winkeln, welche

fahrensbedingungen ein ausgezeichneter Gallium- sich durch Schnitt der Tangentialebene im Berüh-

arsenid-Einkristall von ungefähr 100 ■ 6 · 12 mm rungsbereich der Schmelzzone mit der Horizontalen

Größe herstellbar ist. . ergeben, der Winkel <x auf der Seite der Schmelze

Die Einzelheiten des Vorgangs einer Keimbildung 25 größer als 90° ist. Im Gegensatz dazu sind im Fall

am äußersten Ende der freien Oberfläche bei Fehlen des bekannten Zonenschmelzens, wie in F i g. 4 dar-

eines Keimkristalls gemäß der obigen Ausführungs- gestellt, die Form 10 α und die Schmelze 13 a in

form sind theoretisch -noch nicht vollständig geklärt. einem Zustand der Berührung, bei welchem der

Als Ergebnis von Versuchen jedoch, bei denen unter Winkel <x_a, der dem Winkel <x des vorhergehenden

einem Hochtemperatur - Mikroskop geschmolzene 30 Falles entspricht, kleiner ist als 90°. Darüber hinaus

Germaniumtropfen von ihren freien Endoberflächen nimmt die Schmelze 13 α eine Gestalt gemäß den

aus zum Erstarren gebracht wurden, hat sich gezeigt, Seitenwänden der bootsförmigen Form 10 α an. Es

daß bei geeignetem Ausmaß einer Unterkühlung sich ist somit offensichtlich, daß dieses Verfahren der

plättchenähnliche Kristallkeime hexagonaler Gestalt Unterstützung der Schmelze sich grundlegend von

oder in Gestalt abgefaßter Dreiecke gemäß Fig. 2 35 der Erfindung unterscheidet.

bilden, die auf der freien Oberfläche schwimmen. Es Bei den beschriebenen Ausführungsformen der

wurde ferner beobachtet, daß jeder dieser plättchen- Erfindung wurde eine Unterlage mit zylindrischer

ähnlichen Kristallkeime eine Hauptfläche aufweist, Oberfläche und eine mit flacher Oberfläche beschrie-

die eine {lll}-Ebene darstellt, und daß er zumindest ben. Es ist jedoch auch möglich, Unterlagen anderer

eine Zwillingsfläche 9 aufweist, die parallel zur 40 Gestalt zu verwenden, beispielsweise mit geknickter

Hauptfläche verläuft. Demgemäß kann angenommen Oberfläche, die durch zwei sich mit einem relativ

werden, daß bei der oben beschriebenen Ausfüh- großen Öffnungswinkel schneidende Ebenen entsteht,

rungsform der Erfindung der zu einem Keimkristall mit gebogener Oberfläche relativ kleiner Krümmung

werdende, sich in der Nähe der freien Endoberfläche usw. Das Material und die Oberflächenbehandlung

la bildende kleine Kristallkeim ebenfalls ein platt- 45 der Unterlage sind selbstverständlich geeignet wähl-

chenähnlicher Kristallkeim ist, der als Ergebnis von bar, je nach der Beschaffenheit der in ein Einkristall

Eckenwachstum, höchstwahrscheinlich infolge der umzuwandelnden Substanz. Beispiele geeigneter

Unterkühlung in diesem Bereich, sehr schnell wächst, Materialien für die Unterlage sind Graphit, Alumi-

mit einer einspringenden Ecke infolge zumindest niumnitrid und Tonerde.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

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■ . Schmelzzone spontan bildender, plattenförmiger

Patentanspruch: Kristallkeim mit einer Zwillingsebene kann sich mit

großer Wachstumsgeschwindigkeit vergrößern, so daß

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter- auf Grund dieser Zwillingsebene ein Eckenwachstum einkristalle aus einem auf einer Unterlage frei 5 auftritt. Diese günstigen Verhältnisse, die im wesentaufliegenden, polykristallinen Stab durch Zonen- liehen nur für einen einzigen Kristallkeim vorliegen, schmelzen oder gerichtetes Erstarren einer stellen sicher, daß nur dieser eine Kristallkeim am Schmelze, wobei eine Schmelzzone an einem nicht äußersten Ende der unterkühlten Schmelzzone wachdurch eine Vorderwand abgestützten Ende des sen kann, wogegen das Wachstum anderer spontan Stabes gebildet und in Längsrichtung durch den io gebildeter Kristallkeime unterdrückt wird. Solche Stab bewegt bzw. der polykristalline Stab ganz weiteren Kristallkeime gelangen auch durch Koriaufgeschmolzen und die Abkühlung, ausgehend vektion in die heiße Schmelzzone, wo sie wieder von dem nicht abgestützten äußersten Ende längs aufgeschmolzen werden. Denn die Wachstumsverdes Stabes durchgeführt wird, dadurch ge- hältnisse sind für solche weiteren Kristallkeime zu kennzeichnet, daß zunächst durch Abküh- 15 ungünstig. Es hat sich als überraschendes Ergebnis lung des äußersten Endes der freien Oberfläche zahlreicher Versuche gezeigt, daß innerhalb einer der Schmelzzone bzw. Schmelze eine an sich kugelkalottenförmigen unterkühlten Schmelzzone ein bekannte spontane keimbildung herbeigeführt einziger Kristallkeim bevorzugt wächst und damit und ein auf der Schmelze schwimmendes Keim- zur Umwandlung des polykristallinen Stabes in einen kristallplättchen gebildet wird. ao Einkristall unter Anwendung des Zonenschmelzen

. oder gerichteten Erstarrens einer Schmelze geeig

net ist. V--

Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Her- v"

stellung von einkristalline III-V-Verbindungen, z. B. 35 GaAs-Einkristallen. Durch Untersuchung von Ätz-

Aus der deutschen Patentschrift 422 085 ist ein figuren sowie des anomalen Zeemaneffekts konnte Verfahren bekannt, nach dem ein Zonenschmelzver- gezeigt werden, daß die Störstellendichte in solchen fahren in einer Rinne durchgeführt wird, die gegen Einkristallen zwischen 20 und 300 pro cm² liegt, das eine Ende hin verjüngt ist. Wenn man mit einer Auch Germaniumeinkristalle zeigen eine -Verringe-Rinne arbeitet, treten Wandeffekte auf, insbesondere 30 rung der Störstellendichte auf ¹Ao bis V100 gegenüber durch Verunreinigungen od. dgl. Die Rinne bedingt der Anwendung einer herkömmlichen Technik,
hohe mechanische Spannungen innerhalb des Pro- Da die Berührungsfläche zwischen Unterlage und

dukts, was weitere Störungen bedingt. ' Schmelzzone klein ist, können kaum Verunreinigun-

Die USA.-Patentschrift 2 992 903 beschreibt ein gen aus der Unterlage in den Einkristall gelangen. Verfahren zur Herstellung eines flächenförmigen 35 Die Ausnutzung des Eckenwachstums unterdrückt Halbleitereinkristalls. Eine pulverförmige Ausgangs- unerwünschte zusätzliche Keime. Volumenänderunsubstanz wird in den gewünschten Abmessungen auf gen des Materials beim Erstarren können sich spaneine Unterlage aufgetragen. An einer Seitenkante wird ' nungsfrei ausgleichen, weil der Stab seitlich nicht ein Keimkristall angelegt, von dem ausgehend dann abgestützt ist. Infolgedessen können auch Einkristalle die Schmelzzone zur Erzeugung eines Einkristalls 4° von Zinkblende hergestellt werden,
verschoben wird. Die Erfindung wird im folgenden an Hand bevor-

Aufgabe der Erfindung ist das Umschmelzen eines zugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die polykristallinen Stabes ohne Verwendung eines Keim- Zeichnungen erläutert, in denen darstellt i

kristalle. Fig. 1 in Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eine , (j

Verfahren zur Herstellung eines Halbleitereinkri- 45 Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach stalls aus einem auf einer Unterlage frei aufliegenden, der Erfindung; . '

polykristallinen Stab .durch Zonenschmelzen oder Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines plättgerichtetes Erstarren einer Schmelze, wobei eine chenförmigen Kristalls, der bei dem Ausführungs-Schmelzzone an einem nicht durch eine Vorderwand beispiel nach Fig. 1 an der freien Oberfläche der abgestützten Ende des Stabes gebildet und in Längs- 50 Schmelze als Kristallkeim entsteht und
richtung durch den Stab bewegt wird, bzw. der poly- F i g. 3 und 4 Querschnitte durch verschiedene

kristalline Stab ganz aufgeschmolzen und die Ab- Unterlagen.

kühlung vom nicht abgestützten Ende aus längs des Fig. 1 zeigt eine Unterlage 5 aus Quarz in Form

Stabes durchgeführt wird, diese Aufgabe dadurch eines Zylindermantelsegments. Diese Unterlage kann gelöst, daß erfindungsgemäß zunächst durch Abküh- 55 beispielsweise durch Vierteilen eines Quarzzylinders lung des äußersten Endes der freien Oberfläche der von etwa 50 mm innerem Durchmesser und 4 mm Schmelzzone bzw. Schmelze eine an sich bekannte Wandstärke entlang den Ebenen in seiner Axialspontane Keimbildung herbeigeführt und ein auf der richtung hergestellt werden. Ein polykristalliner geSchmelze schwimmendes Keimkristallplättchen ge- gossener Stab 6 aus Galliumarsenid wird auf die bildet wird. , 60 Unterlage 5 aufgebracht, die zusammen mit dem dar-

Dadurch, daß man mit einer im wesentlichen auf befindlichen Stab in eine Atmosphäre aus Arsenebenen Unterlage für den polykristallinen Stab gas eingebracht wird. Darauf wird ein Ende des arbeitet, vermeidet man Randstörungen gerade im Stabes durch einen Heizofen 8 geschmolzen, so daß Bereich des zuerst gebildeten Kristallkeims. Durch eine Schmelzzone 7 entsteht, die durch Oberflächen-Abkühlung eines Stabendes ergibt sich ein unter- 65 spannung und Kohäsion gegenüber dem ungeschmolkühlter, kugelkalottenförmiger Bereich, der günstige zenen Stab 6 dergestalt zusammengehalten wird, daß Voraussetzungen für das Eckenwachstum eines Keim- außer einem bestimmten Bereich der Bodenfläche kristalls bietet. Ein sich auf der Oberfläche dieser keine Berührung mit der Unterlage 5 auftritt. Da in