DE1444530A1

DE1444530A1 - Verfahren zum Herstellen von einkristallinen Halbleiterstaeben

Info

Publication number: DE1444530A1
Application number: DE19621444530
Authority: DE
Inventors: Keller Dr Rer Nat Wolfgang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1962-12-12
Filing date: 1962-12-12
Publication date: 1969-04-24
Also published as: DE1444530B2; GB1029804A; CH420072A; BE641090A; JPS5021431B1; US3351433A

Description

.'Expl.'"

11. DEZ. 1962

SIEMENS-SCHUCKERTWERKE Erlangen, den

Aktiengesellschaft Werner-von-Siemens-Str.

PLA 62/1870 PLA 9/350/1226

Verfahren zum Herstellen von einkristallinen Halbleiterstäben

Es ist bereits bekannt, einkristalline Halbleiterstäbe durch Ziehen aus der Schmelze nach Czochralski bzw. durch tiegelfreies Zonenschmelzen nach Theuerer herzustellen. Neuerdings ist das sogenannte Podest-Verfahren bekannt geworden (siehe "Growth and Perfection of Crystals", herausgegeben von Doremus, Roberts und Turnbull, Verlag John Wiley & Sons, Inc., New York, und Chapman and Hall, Ltd., London, (1958) Aufsatz von Dash, Seite 363. Auf einem geschlitzten Halbleiterstab wird eine tropfenförmige Schmelze erzeugt, beispielsweise mit Hilfe der Induktionsheizung, dann wird aus dieser Schmelze nach Eintauchen eines einkristallinen Keimkristalls ein Einkristall gezogen.

9 0 9 817/0591 BAD ORiQlWAt _e

- 1 - Si/Kup

1 A A 4 5 3 O PLA 62/187Q

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von einkristallinen Halbleiterstäben mit einem Durchmesser von mehr ' · als 25 mm durch Ziehen aus der Schmelze mit Hilfe eines einkristallinen Keimkristalls. Erfindungsgemäß wird die obere Stirn-' fläche eines senkrecht stehenden Halbleiterstabes, der einen größeren Durchmesser als der Solldurchmesser des zu erzeugenden · Stabes aufweist, in der Weise beheizt, daß auf dieser Stirnfläche eine Schmelze entsteht, die durch den äußeren Rand der Stirnfläche seitlich gehalten wird, und dann wird in diese Schmelze der Keimkristall eingetaucht und mit einer solchen Geschwindigkeit herausgezogen, daß der aufwachsende Kristall den Solldurchmesser aufweist. ,

Das erfindungsgemäße Verfahren-weist den Vorteil auf, daß sich", mit ihm einerseits Einkristalle mit größerem Durchmesser herstellen lassen, während andererseits die Verunreinigungsmöglichkeit durch einen Tiegel ausgeschlossen wird. Bisher war es nicht möglich, durch tiegelfreies Zonenschmelzen Einkristalle mit einem Durchmesser von mehr als 35 mm herzustellen. Auch die Erzeugung von Einkristallen mit Durchmessern von mehr als 25 mm nach dem tiegelfreien Zonenschmelzverfahren war bisher schwierig.

Mit dem Ziehen aus dem Tiegel, bei dem durch .Regelung der Temperatur der Schmelze und/oder der Ziehgeschwindigkeit eine Regelung des Durchmessers des aufwachsenden Einkristalls möglich ist, lassen sich zwar Einkristalle größeren Durchmessers herstellen. Dieses Verfahren weist aber den Nachteil auf, daß aus der beheizten Tiegelwand Verunreinigungen, insbesondere Sauerstoff, in die

9 0 9 8 1 7/059 1 BAD QRjGiNAl

- 2 - „ Si/Küp

Schmelze eindiffundieren. Weiter-treten Schwierigkeiten bei hochschmelzenden Stoffen, wie z.B. Silizium, auf, da die Tiegelwand hierbei bereits plastisch verformbar wird. Das Ziehen aus dem Tiegel nach Czochralski wird deshalb bisher praktisch nur auf Germanium und die sogenannten A^j-j-By-Verbindungen angewendet.

In den Figuren sind Ausführungsbeispiele für Apparaturen dargestellt, mit deren Hilfe das erfindungsgemäße Verfahren durch-* geführt werden kann.
Fig. 1 zeigt eine Vakuumkammer, in der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann, ·

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstab,

In den Fig. 3» 4 und 5 sind andere Ausführungsformen des erfindungsgemäiien Verfahrens dargestellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl unter Schutzgas als auch im Vakuum durchgeführt werden. In Fig. 1 ist eine Vakuumkammer für diesen Zweck dargestellt. Ein kastenförmiges Gehäuse 2 besitzt ein Sicht^las 3, durch welches die Durchführung des Verfanrens innerhalb der Kammer beobachtet werden kann. Mit Hilfe eines Anschlui3stutzens 4 kann die Kammer evakuiert werden. Innerhalb der Kammer befindet sich ein dick&rer Stab 5 sowie ein dünnerer Stab 6, der aus dem dickeren Stab erzeugt wird. Zwischen beiden befindet sich eine Schmelze 7. Die Schmelze kann durch Elektronenstrahlen oder beispielsweise durch eine Induktionsspule 8 erzeurt werden. Die Induktionsspule 8 ist an einem Träger "9 befestigt, welcher durch eine vakuumdichte Durchführung

«DO—*

U44530

im Boden der Kammer 2 nach außen geführt ist. Der Träger 9 enthält sowohl die elektrischen Zu- und Abführungen zu der Heizspule als auch die Zu- und Ab fuhrungsrohre eines Kühlmediums.,, mit dessen Hilfe die Heizspule gekühlt wird. Der Pfeil 11 soll andeuten, daß die Heizspule 8 an dem Träger 9 von außen her in lotrechter Richtung bewegt werden kann.

Der Dickstab 5 ist in einer unteren Halterung 12 gehalten,, die an einer Führungsstange 13 befestigt ist, welche ebenfalls durch eine vakuumdichte Durchführung 14 nach außen geführt ist und von außen in lotrechter Richtung bewegt werden kann. Der dünnere Stab 6 ist in ähnlicher Weise in einer oberen Halterung 15.gehalt en', die an einer Welle 16 befestigt ist. Diese Welle 16 ist ebenfalls durch eine vakuumdichte Durchführung 17 nach außen geführt und kann von außen sowohl in lotrechter Richtung verschoben als auch um ihre eigene Achse in Drehung versetzt werden.

Das wesentliche Merkmal der ,Erfindung ist darin zu sehen, daß die Schmelze T in der Weise beheizt wird, daß sie durch den Rand der.Stirnfläche des Dickstabes 5 gehalten werden kann (siehe Pig. 2). Dies ist insbesondere durch eine Bündelung der Heizwirkung zu erreichen. Man kann z.B. Elektronenstrahlen oder Wärmestrahlen etwa in der Kitte der Stirnfläche des Dickstabes 5 konzentrieren, bzw. man kann eine Heizspule für die Induktionsheizung so ausbilden, daß die gewünschte Bündelung der Heizwirkung erreicht wird. Im Ausführungsbeispiel ist eine Heizspule 8 dargestellt,· welche als Flachspule ausgebildet ist. Man kann die Heizspule aber auch als Zylinderspule ausbilden. In__

90 9817/05 9 1 . _ · - 4 - BAD ORIGJNAt 3i/Küp

14AA530 PIA 62/1870

Fig. 2 ist zusätzlich ein Reflektor 18 dat^e stellt, der die abgestrahlte Wärme zwecks Vorheizung des Dickstabes 5 und zwecks Nach-.heizung des dünneren Stabes 6 zurückstrahlt. Es kann sich dabei beispielsweise um ein Silberblech handeln, das zylindrisch zusammengebogen ist und die Schmelze umschließt. Ein Schlitz in Richtung der Stabachse verhindert die Ankopplung an die Heizspule,

Die Heizspule wird vorzugsweise mit Hochfrequenz im Kurzwellen-Bereich gespeist, z.B. mit etwa 5 MHz. Die Heizleistung beträgt etwa 5 bis 10 kW. Der aufwachsende Einkristall wird in an sich bekannter Weise in Drehung um seine eigene Achse versetzt, damit ein rotationssymraetrisches Aufwachsen gesichert wird. Die Umdrehungsgeschwindigkeit liegt vorzugsweise zwischen 10 und 150 U/Min, und beträgt beispielsweise 40 U/Min.

Man kann beispielsweise die Heizspule 8 mit Bezug auf die Vakuumkammer ruhen lassen und lediglich den Dickstab 5 von unten nachschieben, während nach oben der dünnere Stab 6 herausgezogen wird. Die GeschwindigKeit der Aufwärtsbewegung des gezogenen Stabes beträgt vorzugsweise 2 bis 4 mm/Sek., bezogen auf die Heizspule. Man kann selbstverständlich auch den unteren Dickstab 5 ruhen lassen und die Heizspule 8-mit Hilfe des Trägers 9 nach unten bewegen. Das Verhältnis der Durchmesser des dickeren Stabes 5 und des dünneren Stabes 6 wird zweckmäSigerweise größer als 1,4 gewählt. Z.B. kann der dicke Stab 5 einen Durchmesser von 60 mm aufweisen, während der dünne Stab 6 einen solchen von 35 mm hat.

Zu Beginn des Verfahrens wird zweckmäßkgerweise ein Keimkristall mit einem wesentlich geringeren Durchmesser, z.B. 6 mm, in die

909817/0591

- 5 - BAD ORIGINAL si/Küp

in der Stirnfläche des Dickstabes 5 erzeugte Schmelze 7 getaucht, worauf durch Kegelung der Ziehgeschwindigkeit der gewünschte Solldurchmesser des aufwachsenden Stabes 6 erzeugt wird. Durch die Verwendung eines Keimkristalls mit geringerem Durchmesser läßt sich erfahrungsgemäß die Kristallqualität verbessern.

Bei dem Dickstab 5 kann es sich beispielsweise um einen polykristallinen Halbleiterstab handeln, der durch Abscheidung aus der Gasphase hergestellt wurde, z.B. nach dem Verfahren gemäß dem DBP 1 061 593 (unsere PLA 56/1431).

In Fig. .3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei dem der Hand der Stirnfläche des Dickstabes 5 nicht .nur insoweit erhalten bleibt, daß er zum Halten "der Schmelze 7 dienen kann, sondern bei dem die Schmelze auf dem Grunde eines aus dem Halbleitermaterial selbst bestehenden Tiegels ruht. Der Rand des Dickstabea bleibt also auch beim Nachführen des Vorratsstabes erhalten und bildet beim Vorwandern der Schmelze die Wandung eines Tiegels. In dem Dickstab 20 befindet sich die Schmelze 21, die'mit Hilfe der Heizspule 22 in dem geschmolzenen Zustand erhalten wird. Der dünnere Stab 23 wird aus dieser Schmelze nach oben herausgezogen.

Die Wände des in der beschriebenen Weise entstandenen Tiegels können in entsprechender Weise ausgebildet sein, damit weiteres Halbleitermaterial der Schmelze seitlich zugeführt werden kann. So kann z.B. ein Schlitz 24 vorgesehen sein, durch welchen pulverförmiges oder gekörntes Halbleitermaterial in die Schmelze nachge-

90 9 8₆1 7/0591. _Si/Küp

nclrittet wird. V/ic in Fig.- 3 lar^Gatellt, ist eine weiter? Induktionsheizspule 25 vorgesehen, in welche von oben schräg oder in - * lotrechter dichtung ein Halbleitcrctati 26 eingeführt wird, daß an seinem unteren Ende derart induktiv beheizt wird, da.3 er abtropft und auf diese '/eise flüssiges Halbleitermaterial der Schmelze -21 zu- führt.Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß der Schmelze 21 kontinuierlich Halbleitermaterial in dem Maße zugeführt wird, wie es ihr durch den aufwachsenden Stab 23 entzogen wird. Hiermit kann mit Ausnahme des erzeugten Stabes 23 die gesamte Einrichtung in allen ihren Teilen ruhend ausgebildet werden.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Aus einer Schmelze 31, welche sich in einem Dickstab 30 befindet, wird ein dünner Stab 32 nach oben herausgezogen. Die Schmelze 31 wird durch eine Heizspule 33 induktiv beheizt. Die Schmelze weist durch die Beheizung eine solche Form auf, daß sie in den Dickstab hinein vorwandert. Im Beispiel gemäß Fig. 4 ist nun eine weitere Heizspule 34 vorgesehen, welche die Aufgabe hat, das am Rand stehenbleibende Halbleitermaterial aufzuschmelzen. Dieses aufschmelzende Halbleitermaterial läuft in Form von Tropfen am Rand der durch die Schmelze 31 erzeugten Mulde in die Schmelze 31 hinein. Die ürwärmung des Halbleiterstabes 30 im Bereich der Heizspule 34 ist so geführt, daß die aufzuschme]zenden Ränder ständig nach innen zu schmelzen. Dies ist insbesondere auch dadurch zu erreichen, da3 die Schmelze 31 durch Strahlungswärme den Innenrand der entstandenen ivlulde ständig beheizt. Ferner kommt hinzu, daß ein Teil der Heizwirkung der Iniuktionssnule 33 sich auch auf den Innenrand der stehenbleibenden Ränder auswirkt.

904_β}7_/0591 _Sl/Küp

BAD ORIGINAL

Γη Pig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung·¹ dargestellt. Auch in diesem Beispiel wird aus einem Dicketab 40 . ein dünner Stab 41 gewonnen. In der Stirnfläche des Dickstabes 40· befindet sich eine Schmelze 42,. welche durch eine Induktionsspule 43 erzeugt ist. Wie sich bei durchgeführten Versuchen herausstellte, weist der Querschnitt der Schmelze.etwa eine Form auf, wie sie in Pig. 5 dargestellt ist. D.h., in der Mitte der Schmelze findet sich eine Erhebung _t von stehenbleibendem, festen Material, während die Wirkung der Induktionsheizung nauptsächlich in der unmittelbaren Nachbarschaft der Windungen der Heizspule 43 sich auswirkt. In der Pig. 5 ist die Porni der Schmelze zwecks Verdeutlichung etwas übertrieben dargestellt. Die Vorheizung des Dickstabes, wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß" Fig. 2 durch einen Reflektor, welcher die Strahlungswärme wieder auf das Halbleitermaterial zurückwirft," kann dazu dienen, diesen Effekt zu vermindern. Stärkere Abhilfe kann dadurch bewirkt werden, daß eine zusätzliche Heizung vorgesehen wird, beispielsweise'mit Hilfe einer zusätzlichen Induktionsspule 44, wie in Fig. 5 dargestellt. Wenn der Dickstab 40 -beispielsweise einen Durchmesser von etwa 60 mm aufweist, so kann diese Vorheizspule etwa 20 mm unterhalb der Stirnfläche des Dickstabes beginnend bis zu einer Länge von etwa 60 mm den Dickstab umgeben. Vorteilhaft wird'die Heizwirkung der Vorheizspule 44 so eingestellt, daß das Halbleitermaterial in diesem Bereich eine Temperatur von etwa 12QO⁰C aufweist, wenn es sich um Silizium handelt.

Stattdessen oder auch zusätzlich kann auch eine Beheizung des gesamten Halbleitermaterials durch direkten Stromdurchgang durchgeführt werden, indem z.B. die Durchführungen 14 und 17 gemäß Fig. 1

909617/05 9 1

.. · ■ - 8" - '"".■■"■ Si/Küp

BAD ORIGINAL

_62/1870

als elektrische Isolierung ausgebildet werden und über die Teile 12, 13, 15 und 16 ein Strom zu- und abgeführt wird, z.B. Gleichstrom oder Wechselstrom von 50 Hz bei einer Stromdichte von etwa 100

9 Patentansprüche
5 Figuren

909817/0591

- 9 - " Si/Küp

Claims

• PLA 62/1870

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen von einkristallinen Halbleiterstäben mit einem Durchmesser von mehr als 25 mm durch Ziehen aus der Schmelze mit Hilfe eines einkristallinen Keimkristalls, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Stirnfläche eines senkrecht stehenden Halbleiterstabes, der einen größeren Durchmesser als der Solldurchmesser des zu erzeugenden Stabes aufweist, in der Weise beheizt wird, daß auf'dieser Stirnfläche eine Schmelze entsteht, die durch den äußeren Rand der Stirnfläche seitlich gehalten wird, daß dann in diese Schmelze der Keimkristall getaucht und mit einer solchen Geschwindigkeit herausgezogen wird, daß der aufwachsende Kristall den Solldurchmesser aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet', daß die Stirnfläche des Halbleiterstabes durch Elektronenstrahlen beheizt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des Halbleiterstabes durch eine Induktionsspule beheizt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß es im Vakuum durchgeführt wird. - -

90-9^7/05 91 ^Si/Küp

5· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der . Keimkristall um seine Längsachse gedreht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelze kontinuierlich neues Halbleitermaterial zugeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Halbleitermaterial in Pulverform zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Halbleitermaterial in flüssiger Form zugeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Halbleiterstab fortlaufend abgeschmolzen und tropfenweise der Schmelze zugeführt wird.

90881,^581 _sl/KUp