DE1619993A1

DE1619993A1 - Verfahren zum Zuechten eines stabfoermigen Einkristalls aus Halbleitermaterial durch tiegelfreies Zonenschmelzen

Info

Publication number: DE1619993A1
Application number: DE19671619993
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1967-03-03
Filing date: 1967-03-03
Publication date: 1971-07-01
Also published as: GB1216522A; US3498846A

Description

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Verfahren zum Züchten eines stabförmigen Einkristalls aus Halbleitermaterial durch tiegelfreies Zonenschmelzen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Züchten eines stabförmigen Einkristalls aus Halbleitermaterial, insbesondere aus Silizium, durch tiegelfreies Zonenschmelzen eines aus diesem Material bestehenden und etwa lotrecht gehalterten Stabes mit einem Durchmesser von mehr als 15 mm, an dem ein dünnerer, um seine Längsachse in Umdrehung versetzter Keimkristall mit einem Durchmesser von weniger als 10 mm angeschmolzen wird.

Derartig« Zonenüchmelzverfahren mit einem Keimkristall mit einer Dicke, die wesentlich geringer" ist als die Dicke des Halbleiteratabea»können zur Herstellung von ver3etzungufreien, einkristallinen

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Halbleiterstäben verwendet werden. Besonders gute Erfolge, d.h. eine hohe Ausbeute an versetzungsfreien, einicristallinen Halbleiterstäben, kennen dann erzielt werden, wenn beim tiegel frei en Zonenschmelzen von Halbleitermaterial mit mehrfachem DiichLauf der Schmelzzone vor dem letzten Durchgang der Schmelzzone eine flaschenhalsförmige Dünnstelle des Halbleiterstabes in unmittelbarer Mähe der Anschmelzstelle des Keimkristalls vorgesehen wird (vergleiche deutsche Auslegeschrift 1 079 593).

Es hat sich gezeigt, daß bei diesen an eich sehr vorteilhaften Verfahren zum Züchten von einkristall inen Halbleiterstäben, insbesondere von versetzungsfreien einkristallinen Halbleiterstäben, dann Schwierigkeiten auftreten, wenn das Durchmesserverhältnis Halbleiterstab/Keimkristall groß wird, beispielsweise größer als 3» Besondere Schwierigkeiten sind dann zu erwarten, wenn am oberen Ende eines vergleichsweise dicken Vorratsstabes von beispielsweise 30 mm oder mehr ein zum Züchten eines einkristallinen Halbleiterstabes dienender dunner Keimkristall von beispielsweise 5 miß angeschmolzen werden soll.

Die vorliegende Erfindung überwindet diese Schwierigkeiten. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Zonenschmelzverfahren der eingangs erwähnten Art vor dem Anschmelzen des Keimkristalls das ihm zugekehrte Ende des Stabes durch Schmelzen, mechanische und/oder chemische Abtragung derart verjüngt wird» daß sein Durchmesser an der Änsahmelzstelle höchstens dreimal so groß ist wie der Durchmesser des Keimkristalls.

Mit besonderem Vorteil wird bei einem Stabdurchmesser von 25 mm oder mehr ein Teil des verjüngten Stabendes zylindrisch mit einer seinen Durchmesser mindestantä nahezu gleichen Länge ausgebildet. Dieser

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zylindrische Teil des verjüngten Stabendes wird zuerst aufgeschmolzen und bildet wegen seines begrenzten Volumens einen ziemlich ' kleinen Schmelzsee, aus dem heraus der einkristaliine" .Haibieiterstab nach dem Verschmelzen mit dem verjüngten Ende des Vorratsstabes gezogen werden kann. Hierbei ist es unbeachtlich, ob das verjüngte Ende am oberen oder unteren Ende des Vorratsstabes angebracht wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung -werden anAusführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. '

Fig. 1 zeigt einenHalb!eiterstab, dessen unteres Ende erfindungsgemäß geformt ist.

Fig. 2a bis 2c zeigen verschiedene Verfahrensschritts zum/Züchten eines versetzungsfreien, einfcristallirien Halbleiterstabes aus einem Vorratsstab, dessen oberes Ende erfindungsgemäß geformt-ist...

In Fig. 1 ist ein Halbleiterstab mit 1 bezeichnet, dessen oberes Ende in einer zeichnerisch, nicht dargestellten Halterung gehaltert und dessen unteres Ende eine Verjüngung 2 aufweist, die anschließend in einen zylindrischen Teil 3 übergeht, mit einem Durchmesser, der ι wesentlich geringer ist als der Burcnmesser des Halbleiterstabes'1. Der zylindrische Teil 5 des verjüngten Stabendes 2 besitzt eine Länge, die mindestens so groß ist wie seine Dicke. Dadurch wird sichergestellt, daß beim Anschmelzen des einkristallinen Keimkristalls 4 mit einer induktivea Heizeinrichtung5 lediglieh der zylindrische iTei'l 3 der Verjüngung 2 aufgeschmolzen wird, während der anschließende konische tibergang 2 festbleibt« Dies erleichtert das Züchten eines ieinkristallineii Halbleiterstab es wesentlich. Der Keimkristall 4 ist

;in einer Halterung 6» vorzugsweise orientierbar, gehaltert. Die

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induktive Heizeinrichtung 5 lcann aus einer ein- oder mehrwindigen Heizspule bestehen, die den zylindrischen Teil 3 des Halbleiterstabes 1 konzentrisch oder, wie dargestellt, exzentrisch umfassen kann. Die exzentrische Anordnung der Heizspule 5 erleichtert das Aufschmelzen des zylindrischen Teiles 3 des Halbleiterstabes 1. Nach dem Verschmelzen mit dem Keimkristall 4 wird die Heizspule 5 in die konzentrische Lage zum Halbleiterstab 1 gebracht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der Halbleiterstab 1 einen Durchmesser von 30 mm oder mehr, während der Keimkristall einen Durchmesser von etwa 4 mm hat. Der zylindrische Teil 3 des verjüngten Stabendes 2 kann einen Durchmesser zwischen 6 und 9 nun bei einer Länge zwischen 6 und 9 mm haben. Der konische Übergang 2 weist einen Winkel von höchstens 45° zur Stabachse auf. Damit wird bei einer Herstellung, der-Verjüngung 2 durch mechanische und/oder chemische Abtragung der. Materialverschleiß im Vergleich zu einem langgezogenen Konus gering gehalten. Der zylindrische Teil 3 des verjüngten Stabendes 2 kann mit Vorteil durch Verschmelzen eines kristallinen Stabteils mit dem konischen Übergang 2 des Halbleiterstabes 1 hergestellt werden.

In den Figuren 2a bis 2c sind die gleichen Teile mit den gleichen Bezugsziffern versehen wie in Pig. 1.

In Fig. 2a wird der Keimkristall 4 gegen die flüssige Schmelzkuppe des zylindrischen Teils 3 der Verjüngung 2 geführt und mit dieser verschmolzen. Die Verjüngung 2 ist am oberen freien Ende des Halbleiterstabes 1 angebracht. Die induktive Heizspule 5 ist ortsfest und konzentrisch zum Halbleiterstab 1 angebracht. Nach dem Verschmelzen werden der Halbleiterstab 1 und der Keimkristall 4

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mit einer Geschwindigkeit von etwa 2,5 mm/min relativ zur Heizspule 5 bewegt. Die Geschwindigkeit des Keimkristalls 4 wird dann stetig gesteigert, bis die in den Figuren2b und 2c dargestellte; flaschenhalsförmige Dünnstelle 7 entstanden ist. Die Dicke dieser Dünnstelle 7 kann etwa 2 bis 2,5 mni und ihre Länge etwa 20 mm oder -mehr betragen. Die maximale Geschwindigkeit des Keimkristalls 4 kann hierbei mehr als 20 mm/min betragen. Sobald die flaschenhals-artige Dünnstelle 7 die vorgesehenen Abmessungen besitzt, wird die Geschwindigkeit des Keimkristalls 4 auf etwa 4 bis 5 mm/min verlangsamt, so daß sich die Dünnsteile 7 zumι konusartigeη Übergang 8 verdickt. Wenn der auskri.stallisierende Stabteil seinen Solldurchmesser erreicht hat, werden beide Sta"bteile mit gleichförmiger Geschwindigkeit relativ zur Heizspule bewegt. Es ist "Yon"Vorteil, wenn das Volumen des zylindrischen Teils 3 des. verjüngten Stabendes .2 so bemessen wird, daß daraus eine flaschenhalsartige Dünnstelle von etwa 2 mm Dicke und mindestens etwa 20 mm Länge gezogen werden kann»

Mit dem in den Figuren 2a bis 2c dargestellten Verfahren können versetzungsfreie, einkristalline Harbleiterstäbe bis zu einer Dicke von mehr als 30 mm hergestellt werden.

Eb ist ersichtlich, daß das vörbeschriebene Verfahren mit gleich gutem Erfolg angewendet werden kann, falls das obere Ende des Halbleiterstabes 1 gehaltert und die Verjüngung 2 am unteren Ende des Stabes 1 angebracht wird.

Die aus 'der vorstehenden Beschreibung und/oder die aus der zugehörigen Zeichnung entnehmbaren Merkmale, Arbeitsvorgänge und Anweisungen sind, soweit nicht vorbekannt, im einzelnen ebenso wie

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ihre hier erstmals offenbarten Kombinationen untereinander, als wertvolle erfinderische Verbesserungen anzusehen.

5 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

1. Verfahren zum Züchten eines stabförraigen Einkristalls aus Halbleitermaterial, insbesondere aus Silizium, durch tiegelfreies Zonenschmelzen eines aus diesem Material bestehenden und etwa lotrecht gehalterten Stabes mit einem Durchmesser von mehr als 15 JMQr an den ein dünnerer, um seine Längsachse in Umdrehung versetzter Keimkristall mit einem Durchmesser von weniger als 10 mm angeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Anschmelzen des Keimkristalls (4) das ihm zugekehrte Ende des Stabes (1) durch SÖhmelzen,-mechanische und/oder ehemische Abtragung derart verjüngt wird, daß sein Durchmesser an der Anschmelzstelle höchstens dreimal so groß ist, wie der Durchmesser des Keimkristalls (4).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Stabdurchmesser von 25 mm oder mehr ein Teil (5) des verjüngten Stabendes (2) zylindrisch mit einer seinem Durchmesser mindestens.» nahezu gleichen Länge ausgebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet» daß ium Ansöhmelsen eines Keimkristalle (4) mit einem Durchmesservon ca. 4 mm an einem Stab (t) mii; einem Durchmesser ψ*η 50 mm oder ι mehr der zylindrische Teil (3) des verjüngten Stäbendes (2) mit : einem Durehmeoser· zwischen 6 und 9 mm, mit einei' Mnge zwischen

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4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Teil (3) des verjüngten Stabendes (2) durch Verschmelzen eines kristallinen Stabteiles mit dem Halbleiterstab (1-hergestellt wird.

5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des zylindrischen Teiles (3) des verjüngten Stabendes (2) se bemessen wird, daß daraus eine flaschenhalsförmige Dünnstelle (7) von etwa 2 mm Dicke und etwa 20 mm Länge gezogen werden kann.

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