DE1619975A1 - Halbleitender Koerper und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Halbleitender Koerper und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
Motorola, Inc., Franklin Park, 111. U*S. Ay Gzy/bü
Halbleitender Körper und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft stabförmige, polyedrische Körper aus
einem halbleitenden, einkristallinen Stoff« Insbesondere betrifft sie derartige Körper aus Silizium. Die- Erfindung betrifft
ferner ein Verfahren zur Herstellung solcher Körper durch Niederschlagen
aus der Dampfphase.
Es ist bekannt, einkristallines, halbleitendes Material in Form
von Scheiben zur Herstellung von Gleichrichtern, Transistoren, Verstärkern und dergleichen zu verwenden. Solehe einkristalline,
halbleitende Scheiben werden hergestellt durch Spalten eines
einkristallinen Stabes quer zu seiner Längsachse. Der hierzu
verwendete einkristalline Stab wird in der Regel so hergestellt, daß man eine Schmelze von polykristallinem Material herstellt,
einen Stab in diese Schmelze eintaucht und. ihn nach dem Anwachsen
von weiterem Material herauszieht. Das zur Schmelze verwendete
polykristalline Material wird durch Niederschlagen aus der
Dampfphase gewonneno Insgesamt sind also drei Einzelschritte
erforderlich, um einen solchen Körper herzustellen«
Es ist erstrebenswert, einen solchen einkristalliMzi Stab direkt
durch Niederschlagen aus der Dampfphase auf einen Trigerstab
aus einem einkristallinen Material herzustellen. Bei einem sol*
chen Verfahren könnte man das Aufwachsen aus der Schmelze ver-
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meiden, das schwierig zu regeln ist, weil man nicht leicht die gewünschte kristallographische Orientierung erreicht und weil
häufig eine Zwillingsbildung auftritt. Nach den "bisherigen Verfahren
ist es aber sehr schwierig, gute einkristalline Haltaeiterstäbe durch Niederschlagen aus der Dampfphase herzustellen.
Solche Körper haben eine ausgesprochene Tendenz polykristallin zu werden. Selbst anscheinend einkristalline Niederschläge sind
in der Regel nicht sehr vollkommen. Aus solchen Stäben geschnittene
Scheiben haben nicht die spiegelglatten Oberflächen, wie sie bei vollkommenen Einkristallen erhalten werden. Man muß die
Oberflächen dieser Scheibeaalso durch sorgfältiges Ätzen und · Polieren behandeln, um die erforderliche Glätte auf der Oberfläche
der Kristalle zu erhalten.
Es sind schon verschiedene Verfahren zur Überwindung dieser Schwierigkeiten bekannt. Die US-Patentschriften 3 222 217,
3 o21 198 und 3 212 922 beschreiben Vorrichtungen und Verfahren
zur Herstellung einkristalliner, halbleitender Körper, insbesondere von Silizium, aus der Dampfphase. Die US-Patentschriften
3 172 791 und 3 226 269 beschreiben ein Verfahren zur Herstellung
einkristalliner, polyedrischer, halbleitender Rrper in Stabform durch Niederschlagen von einkristallinem, halbleitendem
Material auf einen zylindrischen einkristallinen, halbleitenden Kern. Man setzt hierbei das Aufwachsen fort, bis der
Kern eine polyedrische Form erhalten hat, Anschließend schlägt man weitere Stoffe einer anderen Leitfähigkeit nieder, wobei
verschiedene Übergangsgebiete gleichmäßiger Struktur entstehen. Bei diesem Verfahren ist der Kern so orientiert, daß die senkrecht zur Längsachse verlaufende Ebene Miller-Indizes hat, bei
welchen zwei der ganzen Zahlen die ganze Zahl. 1 bilden und bei welchen die Summe aller drei ganzer Zahlen, unabhängig von negativen
Bedeutungen, vier nicht überschreitet, 4·*1· daß eine Ebene
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(110), eine Ebene (211), usw. entstehen« Unter diesen Bedingungen entstehen einkristalline, reguläre polyedrische Körper«, Insbesondere
entsteht als Endprodukt ein Körper mit dem Querschnitt
eines regelmäßigen Hexagons« Bei diesem Verfahren ist aber die
kristallographische Orientierung innerhalb des Endproduktes nicht
vollkommen, und die einkristallinen Körper können in der Regel
nicht ohne anschließende Reinigung zur Herstellung von Halbleitern
verwendet werden*
Ein Ziel der Erfindung ist ein verbessertes Verfahren zum Aufwachsen
von einkristallinesi, halbleitendem Material direkt aus
der Dampfphase. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von einkristallinen Stäben aus Silizium mit einem
honen Grade von kristalliner Vollkommenheit durch Aufwachsen aus
der Dampfphase auf einen Trägerstab aus einkristallinem Silizium. Ein ferneres Ziel der Erfindung ist ein stabförmiger, polyedrischer
Körper aus einem halbleitenden, einjfcristallinen Stoff mit
einem hohen Grade von kristalliner Vollkommenheit. Insbesondere betrifft die Erfindung derartige Körper aus Silizium, aus welchem
Scheiben parallel zu der Längsachse geschnitten werden können, die eine spiegelglatte Oberfläche haben.
Erfindungsgemäß verwendet man bei der Herstellung dieser Körper einen zylindrischen Trägerstab aus einkristallinem., halbleitendem Material. Seine Längsachse verläuft in der kristallographischen
(100)-Richtung. Auf diesem Trägerstab wird dann weiteres
einkristallines Material niedergeschlagen,»
Die Erfindung betrifft ferner die Herstellung solcher Körper
direkt aus der. Dampfphase. Die hierbei entstehenden Körper haben einen polyedrischen Querschnitt mit 4n Oberflächen, wobei
η wenigstens 2 bedeutet.
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Die Zeichnungen und die dazugehörige Beschreibung erläutern beispielsweise einige Ausführungsformen der Erfindung.
Die Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eirer für die
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeigneten Vorrichtung.
Die Fig. 2 zeigt einen zylindrischen, einkristallinen, halbleitenden Trägerstab, dessen Längsachse erfindungsgemäß
orientiert ist.
Die Fig. 3 zeigt einen polyedrischen Körper gemäß der Erfindung während des Aufwachsens aus der Dampfphase.
Die Fig. 4 zeigt einen fertigen polyedrischen Körper gemäß der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Herstellung einesstabförmigen,
polyedrischen Körpers aus einem halbleitenden, einkristallinen Stoff. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,
daß man auf einen zylindrischen Stab aus einem halbleitenden, einkristallinen Stoff, dessen Längsachse in der kristallographischen
(100)-Richtung verläuft, einen halbleitenden Stoff aus
der Dampfphase niederschlägt. In dem zylindrischen Kern ist also
die senkrecht zur Längsachse verlaufende Ebene die (100)-Ebene.
Man schlägt auf diesen Träger einkristallines Material nieder, bis der Stab einen polyedrischen Querschnitt mit 4n Seitenflächen
erhalten hat, wobei η wenigstens 2 bedeutet. Die Seitenflächen
des polyedrischen Körpers sind eben und verlaufen praktisch parallel zu der Längsachse des Stabes.
Bei diesem Verfahren erhält man stabförmige, polyedrische Körper
aus einem halbleitenden, einkristallinen Stoff, Diese Körper
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sind dadurch gekennzeichnet, daß ihre Längsachse in der- kristallegraphischen
(100)-Richtung verläuft, daß ihr Querschnitt senkrecht
zur Längsachse ein Polygon mit 4n Seiten bildet, wobei η
eine ganze Zahl ist und wenigstens 2 bedeutet und daß die Seitenflächen des Körpers eben sind und praktisch parallel zur Längsachse
verlaufen. Diese Körper sind, in kristalliner Beziehung
sehr vollkommen. Man kann sie ohne weitere Reinigung und ohne
besondere Behandlung der Oberfläche direkt verwenden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat dsr polyedrische
Körper einen achteckigen Querschnitt, und das halbleitende Material besteht aus Silizium* Das den Querschnitt dieses
Körpers bildende Achteck hat vier Winkel von etwa171° und vier
mit diesen abwechselnde weitere Winkel von etwa 99°» Die ebenen
Seitenflächen des Körpas befinden sich in praktisch gleichen Abständen von der Längsachse des Körpers, gemessen an den Senkrechten von diesen Ebenen auf die Längsachse.
Als Zwischenprodukt während der Aufdämpfung entsteht ein Körper
mit einem zwölfeckigen Querschnitt. Vier der Winkel des Zwölfeckes,
das den Querschnitt des Körpers bildet, haben etwa 1710J
die restlichen acht Winkel haben etwa 139°. Acht der ebenen Seitenflächen
sind untereinander gleich,, ebenso die restlichen vier
Seltenflächen, die eine kleinere Oberfläche haben»
Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Wachsanlassen eines erfindungsgemäßen Körpers aus der Dampfphase. Anstelle der gezeigten
Vorrichtung können natürlich auch anders geeignete Vorrichtungen
und Verfahren verwendet werden, die an sich bekannt sind.
Die Vorrichtung enthält eine Umsetzungskamnier 10 go 3« aus Querz.
In dieser ist ein einkristallinerv 'halbleitend®!* Trägerstab 11,
z«B. aus Silizium, angeordnet« Die weiteren Ausführungen beziehen
sich alle auf Silizium, obwohl es klar ist, daß man auch anderes
halbleitendes Material verwenden kann. Der Siliziumstab 11 ist in dem Gefäß 1o in leitenden Klemmen 12 und 12a befestigt. D:* -ise
Klemmen befinden sich an den entgegengesetzten Enden des Gefäßes. Eine elektrische Spannung 13 wird an den Stab 11 angesetzt, um
durch den erzeugten Strom den Stab so hoch zu erhitzen, daß eine gasförmige Siliziumverbindung zersetzt wird, was bei etwa 1100
bis 12QO0C geschieht. Durch den Einlaß 14 tritt die zersetzliche
Siliziumverbindung in das Umsetzungsgefäß ein. Hierzu verwendet man üblicherweise ein Siliziumhalogenid, wie Silicochloroform
oder SiliziumtetrachloricL Vorzugsweise verwendet man ein Gemisch
von Silicochloroform und Siliziumtetrachlorid in Wasserstoff. Die Abgase treten durch die Leitung 14a aus. Während des Vorbeiganges
zersetzen sich die Siliziumverbin&ungen wad schlagen
Silizium auf dem Trägerstab 11 nieder.
Halbleitendes Silizium hat einen negativen Teaperaturkoeffizienten
des elektrischen Widerstandes\ in kaltem Zustande leitet
es den elektrischen Strom schlecht. Man mu8 daher andere Mittel
als die normale Spannung vorsehen, um das Silizium von Raumtemperatur
auf eine erhöhte Temperatur zu bringen. Hierfür können verschiedene Verfahren verwendet werden. So ist es z.B. bekannt,
anfangs eine besonders hohe Spannung anzulegen, nun den Körper
aufzuheizen und ihn damit leitfähig zu machen. Man kann auch
anfänglich das Silizium mit strahlender von außen öurch die ·
Wandungen des Gefäßes aufgebrachter Energie aufheizen. Es ist
ferner schon vorgeschlagen, auf dem Kern aias SiiiziuHi zunächst
durch Eindiffundieren von leitenden Verunreinigungen, wie Phosphors,
eine leitende Oberfläche zu schaffen. Dadurch wird der
Stab bei. Raumtemperatur leitend und kann durch Anlegen einer
Spannung und Hindurchleiten eines Stromes von Raumtemperatur af eine höhere Temperatur aufgeheizt werden. Vor dem Einleiten des
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Reaktionsgemisches kann die leitende Schicht durch Abätzen mit
Gas entfernt werden* z.B. mit einem Gemisch von 2 bis 5 % HCl
in Wasserstoff während 15 Minuten bei 1100°C. Dann kann das
Niederschlagen von Silizitsss in bekannter Weise durchgeführt
werden. Man kann auch während, des Niederschiagens des Siliziums·
verschiedene dotierende Verunreinigungen zugeben, wobei man
einkristallines Material besonderer Leitfähigkeit und besonderen
Widerstandes in verschiedenen Schichten erhält»
Mittels des beschriebenen Apparates kann Silizium aus der Dampfphase
in einer Stufe niedergeschlagen werden. Man kann aber auch ein Kreislauf verfahren ijrerwend.en* Hierbei verwendet man
ein Gemischj das etwa 8 Mol-fi Silicochloroform und etwa 4 Mol-%
Siliziumtetrachlorid in Wasserstoff enthält. Man leitet dieses
Gemisch durch das Umsetzungsgefäß und führt die Abgase nach Entfernung des entstandenen Chlorwasserstoffes im Kreislauf
wieder in das Reaktionsgefaß zurück. Hierbei gibt man zusätzliches
Silicochloroform zu, um das verbrauchte zu ersetzen,,
Das erforderliche 'Silizitimte-ferachlorid. entsteht in dem System
als Nebenprodukt durch Zersetzung von oilicochloroform.
Die Fig. 2 zeigt, daß der Träger 11 ein zylindrischer Stab aus
einkristallinem Silizium ist. Er wird erhalten durch Ziehen eines Kristalles aus einer Schmelze von Silizium, oder durch
Ziehen eines dickeren Stabes auf einen kleineren Durchmesser. Üblicherweise ist der Trägerstab etwa 90 cm lang und hab einen
Durchmesser von etwa 7 mm. Der einkristalline Stab wird so
herausgezogen oder gezogen, daß seine LängsachsG kristallographisch
gemäß der Erfindung orientiert ist. Diese gewünschte Orientierung wird beispielsweise dann erreicht, wenn man einen
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kristallinen Earn "beim Herausziehen aus der Schmelze so hält,
daß seine Längsachse in der kristallographischen (100)-Richtung
verläuft. Die senkrecht zur Längsachse, d.h. der (i00)-Richtung
verlaufenden Richtungen sind also die (001)- und die (OIO)-Richtungen,
wie die Fig. 3 und 4 es zeigen. Bei einer solchen Orientierung
des Trägerkristalles entstehen die gewünschten polygonalen
Körper.
Die Fig. 3 zeigt das Aufwachsen, vnn Silizium zu einem polygonalen
Körper auf dem zylindrischen Kern, dessen Längsachse in
der (100)-Richtung verläuft. Um den zylindrischen Kern bildet
sich ein länglicher Körper mit einem polygonalen Querschnitt senkrecht zur Längsachse. Der polygonale Körper hat 4n Oberflächen,
wobei η wenigstens 2 ist. Jede dieser Oberflächen ist eben und praktisch parallel zu der Längsachse des Stabes. Da
die Längsachse des zylindrischen Stabes kristallographisch in der (100)-Richtung orientiert ist, so ist auch die Längsachse
des polygonalen'Körpers in derselben Richtung orientiert.
Der polyedrische Körper nach Fig. 3 hat einen zwölfeckigen
Querschnitt, d.h. η = 3. Es ist ein nicht regelmäßiges Polygon mit vier Winkeln von etwa 171° und acht Winkeln von etwa 139°.
Die acht ebenen Seitenflächen haben praktisch die gleiche Größe und sind größer als die restlichen vier Seitenflächen 16, die
untereinander ebenfalls gleich sind.
Beim weiteren Aufwachsen von Silizium entsteht ein Körper mit
achteckigem Querschnitt nach Fig. 4, wobei η = 2 ist. Das Achteck
hat vier Winkel von etwa 171° und vier Winkel von etwa 99°,
wobei die größeren und kleineren Winkel abwechseln. Die ebenen Oberflächen 17 sind in gleichen Abständen von der Lgngsachse
des Körpers angeordnet, gemessen an den Senkrechten von diesen
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_ ο —
Ebenen auf die Längsachse. Ein weiteres Niederschlagen Von Silizium vergrößert lediglieh die äußeren Oberflächen."-des
Körpers. ;-λ. Λ. /
Der erfindungsgemäße polyedrische Körper kann senkrecht zur
Längsachse zu Scheiben geschnitten werden',, deren Oberflächen
in der (100)-Ebene liegen. Diese Scheiben sind kristallin sehr
vollkommen und eignen sich ohne weitere Reinigung ausgezeichnet
zur Herstellung von Halbleitern.
Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zur Herstellung von
stabförmigen Körpern mit polygonalem Querschnitt aus halbleitenden Stoffen. Erhalten wird dieser Körper durch Niederschlagen
von Silizium aus der Dampfphase auf einen einkristallinen, mit
der Längsachse in der (100)-Richtung ausgerichteten Stab. Die
Erfindung ist vorstehend besonders zur Herstellung von Halbleitern
aus Silizium beschrieben. Hierbei entsteht ein stabförmiger
polyedrischer Körper aus einem halbleitenden einkristallinen
Stoff, dessen Längsachse in der kristallographisehen (100)-Richtung
verläuft. Der Körper hat einen zylindrischen, stabförmigen
Kern aus einkristallinem Silizium und einen polygonalen
Querschnitt senkrecht zur Längsachse. Der polyedrische Körper hat
kn ebene Oberflächen, wobei η wenigstens 2 bedeutet. Bei einer bevorzugten AusfUhrungsform der Erfindung hat der Körper einen
achteckigen Querschnitt. Als Zwischenprodukt entsteht ein
Körper mit einem zwölfeckigen Querschnitt. Scheiben, die aus
diesen Körpern geschnitten werden, haben eine in der (lOO)-Ebene
liegende Oberfläche von hoher kristalliner Vollkommenheit.
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Claims (7)
1. Stabförmige!?, polyedrischer Körper aus einem halbleitenden,
einkristallinen Stoff, dadurch gekennzeichnet, daß seine Längsachse in der kristallographischen (100)-Richtung veläuft,
daß sein Querschnitt senkrecht zur Längsachse ein Polygon mit 4n Seiten bildet, wobei η ehe ganze Zahl ist
und wenigstens 2 bedeutet, und daß die Seitenflächen des Körpers eben sind und praktisch parallel zur Längsachse
verlaufen.
2* Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sein
Querschnitt senkrecht zur Längsachse ein ungleichwinkeliges Polygon bildet.
3. Körper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
η 2 oder 3 ist.
4. Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß alle Senkrechten von seinen Seitenflächen zur Längsachse praktisch gleich lang sind.
5. Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das den Querschnitt bildende Polygon wenigstens einen Winkel von etwa 171° hat.
6. Körper nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das den
Querschnitt bildende Polygon wenigstens einen Winkel von etwa 139° hat,
7. Körpernach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das den
- Querschnitt bildende Polygon wenigstens einen Winkel von
etwa 99° hat.
1 ORIGINAL INSPECTED
009844/1399
B0 Körper nach einem der Ansprüche 1 bis Ts -dadurchnet,
daB er aus Silizium bestehtö :
9ο Verfahren zur Herstellung eines Körpers nach eiaem-äer
Sprüche 1 bis SP dadurch gekennzeichnetP daß man auf""-Blnetx _
zylindrischen Stab aus einem halbleitendens eiaferistallinen
Stoff, dessen Längsachse in der krdsbalbgraphisciien (10Ö}>Richtung
verläuft, einen halbleitenden Stoff aus der Dampfphase
niederschlägt.
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