DE1519914B2

DE1519914B2 - Vorrichtung zum Ziehen eines Verbindungshalbleiterknstalls

Info

Publication number: DE1519914B2
Application number: DE19611519914
Authority: DE
Inventors: Morton Edward Richardson Tex. Jones (V.St.A.)
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1960-04-13
Filing date: 1961-04-12
Publication date: 1971-02-11
Also published as: US3154384A; BE602573A; MY6900306A; DE1519914A1; GB990163A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ziehen eines Verbindungshalbleiterkristalls aus einer Schmelze der Elemente, wobei ein Element flüchtiger als das andere Element bzw. die anderen Elemente ist, insbesondere eines Ill-V-Verbindungshalbleiterkristalls, mit einer Schmelzkammer, in der die Schmelze angeordnet und das flüchtigere Element in einer Menge eingebracht ist, welche größer als die erforderliche stöchiometrische Menge ist, mit einer Wärmequelle, welche die Schmelzkammer und die darin befindliche Schmelze.so erhitzt, daß das flüchtigere Element verdampft und die Atmosphäre oberhalb der Schmelze bildet, ohne daß sich an den Wänden der Schmelzkammer Niederschläge des verdampften Materials bilden, mit einem gasdicht mit der Schmelzkammer verbundenen Verschluß und mit einer durch den Verschluß in die Schmelzkammer geführten Kristallziehstange.

Bekanntlich gibt es binäre Verbindungshalbleiter, die aus jeweils einem Element der Gruppe II und der Gruppe VI, der Gruppe IV und der Gruppe VI oder der Gruppe III und der Gruppe V des Periodischen Systems der Elemente bestehen. Ferner gibt es ternäre Verbindungshalbleiter, die aus jeweils einem Element der Gruppen I-III-VI, der Gruppen I-V-VI oder der Gruppen II-IV-VI bestehen. Beispiele für solche Verbindungshalbleiter sind InSb, InP, GsAs, AIP, PbTe, InSe, In₂Te₃, AgSbTe₂, Bi₂Te₃, CuFeTe₂, CuGeSe₂ und CuFeSe₂.

Als besonders brauchbar haben sich III-V-Verbindungshalbleiter erwiesen, und von diesen wiederum Galliumarsenid.

Die Entdeckung dieser Ill-V-Verbindungshalbleiter zur Herstellung von Kristallen für verschiedene elektronische Vorrichtungen, z. B. Transistoren, hat auf dem Gebiet der Elektronik viele neue Möglichkeiten eröffnet, aber gleichzeitig zahlreiche neue Probleme hervorgerufen. Bei den bisher üblichen Kristallziehvorrichtungen wurde eine geschlossene Kammer verwendet, in der die Kristallschmelze entweder in einem Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre wie Argon gehalten wurde. Es wurde festgestellt, daß diese üblichen Verfahren unbefriedigend sind, wenn beim Ziehen eines Kristalls aus der Schmelze eines der Elemente stark flüchtig ist. Dies ist besonders dann der Fall, wenn ein Kristall aus einer Schmelze gezogen wird, die Gallium und Arsen enthält; Arsen hat nämlich eine hohe Flüchtigkeit bei den Arbeitstemperaturen. In der Praxis wurde festgestellt, daß der Dampfdruck von Arsen über der Schmelze bei dem Schmelzpunkt der Verbindung etwa 0,9 atm beträgt. Deshalb haben sich alle bekannten Vorrichtungen, bei denen die Kristallziehstange durch den Verschluß der Schmelzkammer geführt ist, als ungeeignet erwiesen, weil keine befriedigende Abdichtung erzielt werden konnte und daher das sublimierte Arsen an die Atmosphäre verloren ging. Deshalb wurde bisher das Ziehen von Galliumarsenidkristallen in einer vollständig dicht verschlossenen Kammer durchgeführt, wobei die Ziehstange mit dem Kraftantrieb über eine magnetische Kupplung verbunden war, damit die Abdichtung der Kammer an keiner Stelle unterbrochen wurde. Diese Lösung erfordert jedoch einen komplizierten Mechanismus, und der Kristallziehvorgang kann dabei wegen der magnetischen Kupplung nur außerordentlich schwierig gesteuert und überwacht werden. Jeder Versuch einer direkten Antriebsverbindung für die Ziehstange ist vollständig gescheitert, da entweder' Luft über die Antriebsvorrichtung in das System einsickerte und den Prozeß störte oder Arsen, das für den Halbleiterkristall benötigt wurde, über den Antrieb aus dem System aussickerte. Die Korrosionswirkung von Arsen stellt gleichfalls ein schwerwiegendes Problem dar, weil dadurch der Antrieb und die Dichtung an der Einführungsstelle in das System verdorben werden. Es ist zwar bekannt,

ίο daß Graphit eine gute Widerstandsfähigkeit gegen eine solche Korrosionswirkung aufweist und auch als Lagermateriar für die Kristallziehstange gut geeignet wäre; da aber Graphit porös ist, würde es das Eindringen von Luft oder das Aussickern von Arsen

erst recht begünstigen. , _:.

Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art,, das die Verwendung einer direkt angetriebenen Kristallziehstange auch dann ermöglicht, wenn mit Verbindungshalbleiterschmelzen gearbeitet wird, in denen ein Element besonders flüchtig und stark korrodierend ist, wie es insbesondere bei Arsen bei der Herstellung von Galliumarsenidkristallen der Fall ist, ohne daß ein Eindringen von Luft oder einen Aussickern des flüchtigen Elements zu befürchten ist.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Kristallziehstange an der Stelle des Eintritts in die Schmelzkammer von einer porösen Graphitbuchse umgeben ist und daß an der der Schmelzkammer abgewandten Seite der porösen Buchse eine gasdichte Gasfalle angeordnet ist.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Darin zeigt
Fig. 1 eine Schnittansicht einer nach der Erfindung ausgeführten Kristallziehvorrichtung und

F i g. 2 einen Schnitt nach Linie 2-2 von F i g. 1.

Die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung

besteht aus einem Sockel 1, auf dem ein Quarzgefäß 2 befestigt ist, das an seiner Oberseite in einen kegelförmigen Abschnitt 2 α übergeht. An Stelle des kegelförmigen Abschnitts kann an der Oberseite des Quarzrohres 2 auch eine flache, geschliffene Abdichtung oder eine Ausgestaltung nach Fig. 3, 4 oder 5 vorgesehen sein. Ein Verschluß 3, vorzugsweise aus Bornitrid, bedeckt das Quarzgefäß. Eine Antriebsstange 4 aus Quarz, die mit einer Dreh- und Hubvorrichtung 30 verbunden ist, ragt durch den Verschluß 3 nach unten in das Quarzgefäß 2, wo sie in einer Spannzange 5 endet, an der ein Keimkristall 6 befestigt ist. Ein Graphittiegel 8, mit einer Quarzauskleidung 9 enthält die Schmelze 7. Wie bei den üblichen Ziehverfahren wird der Keimkristall, der die gleiche Zusammensetzung wie die Schmelze hat, in diese niedergelassen und dann langsam unter Drehung herausgezogen. Wenn die Temperatur und die Ziehgeschwindigkeit richtig gewählt sind, kristallisiert sich die Schmelze an dem Keim unter Bildung eines großen Einkristalls. Der Tiegel 8 wird in dem Quarzrohr durch einen Träger 10 getragen.

Im oberen Teil der Zeichnung ist zu erkennen, daß die Stange 4 durch ein Graphitlager 11 geht, das konzentrisch in der Verschlußkappe 3 aus Bornitrid angeordnet ist. Eine Bornitridhülse 12 ragt von der Kappe 3 nach oben. In die Hülse 12 ist ein Quarzrohr 13 eingepaßt, das im Abstand von der Stange 4 liegt. Der Zwischenraum 13 α zwischen dem Rohr 13 und der Stange 4 dient als Arsenfalle. Der obere Abschnitt der Stange 4 ist von einem wassergekühlten

Mantel 17 umgeben, der einen Einlaß 18 und einen Auslaß 19 für kaltes Wasser aufweist. Darüber ist eine zweite Dichtung 16, vorzugsweise aus Polytetrafluoräthylen angebracht. Eine Isolierhaube 15 mit einer Einlaßöffnung 14 dient zur Aufrechterhaltung einer inerten Gasatmosphäre rings um die Verschlußkappe 3 und den kegelförmigen Abschnitt 2 α. Ein Heizwiderstand 20 ist in die Kappe 3 eingelegt, ein weiterer Heizwiderstand 21 umgibt den mittleren Abschnitt der Kammer, und eine Hochfrequenzspule

22 umgibt die Schmelze. Es ist ein Thermoelement

23 vorgesehen, das die Schmelze auf der richtigen Temperatur hält.

Die vorstehende Erörterung und Beschreibung bezog sich besonders auf die Probleme, die beim Ziehen von Kristallen von Verbindungshalbleitern der Gruppen III-V, vor allem bei der Herstellung von GalHumarsenidkristallen auftreten; es ist jedoch hervorzuheben, daß die beschriebene Vorrichtung in keiner Weise auf diese besonderen Verbindungshalbleiter beschränkt ist.

Viele andere binäre und ternäre Verbindungshalbleiterkristalle können mit der beschriebenen Vorrichtung hergestellt werden. Hierzu gehören Verbindungshalbleitermaterialien, die jeweils ein Element der Gruppen II-IV, der Gruppen IV-VI, der Gruppen MII-VI, der Gruppen II-IV-VI oder der Gruppen 1-V-VT enthalten. Ferner kann natürlich jedes der zuvor aufgezählten Verbindungshalbleitermaterialien verschiedene Elemente in Spuren als Verunreinigungen oder Dotierungsstoffe enthalten, wie in der Technik allgemein bekannt ist.

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zum Ziehen eines Verbindungshalbleiterkristalls aus einer Schmelze der Elemente, wobei ein Element flüchtiger als das andere Element bzw. die anderen Elemente ist, insbesondere eines Ill-V-Verbindungshalbleiterkristalls, mit einer Schmelzkammer, in der die Schmelze angeordnet und das flüchtigere Element in einer Menge eingebracht ist, welche größer als die erforderliche stöchiometrische Menge ist, mit einer Wärmequelle, welche die Schmelzkammer und die darin befindliche Schmelze so erhitzt, daß das flüchtigere Element verdampft und die Atmosphäre oberhalb der Schmelze bildet, ohne daß sich an den Wänden der Schmelzkammer Niederschläge des verdampften Materials bilden, mit einem gasdicht mit der Schmelzkammer verbundenen Verschluß und mit einer durch den Verschluß in die Schmelzkammer geführten Kristallziehstange, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallziehstange (4) an der Stelle des Eintritts in die Schmelzkammer (2) von einer porösen Graphitbuchse (11) umgeben ist und daß an der der Schmelzkammer abgewandten Seite der porösen Buchse (11) eine gasdichte Gasfalle (13 a) angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen