DE1769979C - Verfahren zur Herstellung von homogenen Halbleiterkörpern aus Sihciumlegierungen - Google Patents

Description

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Es ist bekannt, homogene Körper aus Germanium-Silicium-Legierungen herzustellen, indem man eine homogene Schmelze aus Germanium und Silicium tropfenweise aus einem Schmelzgefäß entfernt und in einem darunter befindlichen formgebenden Behälter zur Kristallisation bringt. Das Austragen der Schmelze erfolgt mit Hilfe eines Stempels, der die Schmelze aus einer Kapillaröffnung am Boden des Schmelzgefäßes drückt (deutsche Auslegcschrift 1 230 227).

Die Eigenschaften der bisher verwendeten Schmelztiegel aus Quarzglas sind jedoch, insbesondere bei der Herstellung von Halbleiterkörpern mit noch höheren Schmelztemperaturen, wie beispielsweise aus Molybdän-Silicium, unbefriedigend. Andere Tiegelmaterialien, wie Berylliumoxyd, Siliciumnittid und Elektrographit, können entweder wegen der Gefahr der Verunreinigung oder wegen ihrer zu geringen Dichtigkeit nicht verwendet werden.

Dagegen sind Schmelzgefäße, die ganz oder deren Oberfläche aus pyrolytischem Graphit oder Siliciumcarbid bestehen, gegenüber den Schmelzen von Germanium-Silicium und Molybdän-Silicium chemisch indifferent und zeigen eine gute Dichtigkeit. Bei der Verwendung dieser Tiegel für die Herstellung homogener Halbleiterkörper nach dem Verfahren der deutschen Auslegeschrift 1 230 227 werden jedoch nur inhomogene und von Rissen und Lunkern durchsetzte Halbleiterkörper erhalten, da Tropfenfolge und -größe uneinheitlich sind.

Es wurde nun ein Verfahren zur Herstellung von homogenen Halbleiterkörpern aus Siliciumlegierungen, bei.dem eine homogene Schmelz» der Legierung aus einem Schmelzgefäß mit Hilfe eines sich m der Schmelze vertikal auf- und abbewegenden Stempels durch eine Kapillaröffnung am Boden des Schmelzgefäßes tropfenweise entfernt wird und unterhalb des Gefäßes in einen Auffangtiegel tropft, in dem sie fortschreitend in dünner Schicht kristallisiert, gefunden. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Schmelze aus Germanium-Silicium oder Molybdän-Silicium, ein Schmelzgefäß, das ganz oder mit einer Oberfläche aus pyrolytischem Graphit oder Siliciumcarbid besteht, und eine Kapillaröffnung, die voü Bornitrid oder Siliciumnitrid umgeben ist. verwendet werden und daß die Tropfengröße so eingestellt wird, daß jeder Tropfen ein konstantes Gewicht zwischen 5 bis 200 mg aufweist

Durch den auf- und abbewegbaren Stempel und die Einstellbarkeit des Minimalabstandes ist es möglich. Tropfengröße und zeitliche Folge der Tropfen geruu zu regulieren. Überraschenderweise hat sich geze.-.;·. daß, wenn das untere Ende der Kapillare von Bur trid oder Siliciumnitrid umgeben ist, ein regelmäßig.-Abtropfen der Schmelze erfolgt Die so entstehend gleichmäßigen Tropfen fallen senkrecht in den A .; fangtiegel und erstai en dort zu homogenen H;ui leiterkörpern.

Die Größe der Tropfen ist durch den minima:.-:. Abstand des Stempels von der Kapiilaröffnung ? der Hub- und Senkbewegung regulierbar. Dabei · der Stempel den Boden des Schmelzgefäßes nicht ■ rühren, sondern vorher umkehren und sich wieJ aufwärts bewegen. Ein wie in Abbildung 1 ausgeh; deter Stempel überträgt bei der Abwärtsbewegui einen umso größeren Inpuls auf die Schmelze , Richtung Kapillaröffnung, je mehr er sich uic^ nähert. Der minimale Abstand zwischen Stempel un·.. Kapillaröffnung beträgt bevorzugt 0,1 bis 10 mm. Hu wie in Abbildung 2 ausgebildeter Stempel preßt κ nach Senktiefe eine bestimmte Schmelz.nenge Juicii die Kapillaröffnung. Selbstverständlich ist die Tropfengröße in bekannter Weise von den Abmessuneet. der Kapillaröffnung abhängig. Die lichte Weite de· Kapillaröffnung beträgt 1 bis 3 mm. Bei einem Tropfengewicht von 5 bis 200 mg werden Halbleiterkörpc guter Qualität erhalten. Vorzugsweise wird die Tropfengröße so eingestellt, daß jeder Tropfen ein konstantes Gewicht zwischen 10 bis 60 mg hat.

Die Tropfenfolge ist durch den Stempel regulierbar. Um optimale Ergebnisse zu erhalten, ist sie so zu wählen, daß vor dem vollkommenen Erstarren des vorhergehenden Tropfens über der Kristallisationsfrc-nt der nächste Tropfen auftrifft.

Tropfenfolge und Tropfengröße müssen entsprechend der Geschwindigkeit, mit der die Kristallisationsfront fortschreitet, variiert werden. Im allgemeinen erfordert eine schneller fortschreitende Kristallisationsfront eine schnellere Tropfenfolge. Ferner ist bei der Herstellung' von Halbleiterkörpern mit größerem Durchmesser die Anwendung größerer Tropfen notwendig.

Weiterhin wird die Halterung für den stalagmitartig wachsenden Halbleiterkörper oder für den Auffangtiegel in dem Maß gesenkt, in dem die Kristal Iisationsfront fortschreitet, um zu gewährleisten, daß die Tropfen stets unter gleichen Bedingungen auf die Kristallisationsfront auftreffen und erstarren. Insbesondere ist bei der Herstellung rechteckig geformter Halbleiterkörper mit großem Querschnitt intensives Rotieren des Auffangtiegels erforderlich.

Die nach dem beanspruchten Verfahren hergestell- ten 11 von der Außenatmosphäre abgeschlossen, woten Halbleiterkörper können auch mit den üblichen durch das Arbeiten unter Schutzgasatmosphäre in Dotiermittem, wie beispielsweise Bor, Aluminium, Anwesenheit gasförmiger Dotierstoffe und unter Gallium, Phosphor, Arsen oder Antimon versetzt Normal- oder Unterdruck möglich ist Das Schmelzsein. 5 gefäß ist durch den Heizkörper 12 und die Sirah-

Eine Vorrichtung, mit der das beanspruchte Ver- lungsbleche 13 umgeben.

fahren durchgeführt werden kann, ist in Abbildung 1 Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herdargestellt. Sie ist gekennzeichnet durch das Schmelz- gestellten Halbleiterkörper finden Verwendung für gefäß 1, das aus pyrolytischem Graphit oder Silicium- thermoelektrische Vorrichtungen. Beispielsweise wercarbid oder dessen Oberfläche aus den genannten io den für die Schenkel eines Thermoelementes p- und Materialien besteht, einer Kapillaröffnung 2 am n-dotierte Germanium-Silicium-Legierungen und als Boden des Schmelzgefäßes und einem, auf der Brückenmaterial Molybdän-Silicium verwendet. Außenseite des Schmelzgefäßes angebrachten, das

untere Ende der Kapillare umgebenden, gegebenen- Beispiel 1 falls in den Schmelztiegel eingelassenen Ring 3 aus 15

Bornitrid oder Siliciumnitrid, dessen innere lichte In das Schmelzgefäß werden 60 g einer Mischung

Weite mindestens eben so groß und maximal bis zu aus 25 Atomprozent Germanium und 75 Atompro-

2 mm größer ist als die innere lichte Weite der Kapil- zent Silicium und 0,87 Gewicl.isprozent Bor gebracht

!arörTnung, einen auf- und abbewegbaren Stempel 4 und bei 10-¹ToIT geschmolzen. Bei einer Tempera-

und eine Halterung 9 zum Aufnehmen des sich bil- ao tür von 1420° C wird die Schmelze abgetropft. Dies

denden halbleitenden Körpers oder eines Auffang- geschieht durch Bewegung des Stempe's über der

tiegels. Kapillaröffnung. Die Kapillaröffnung am Boden de^.

Abbildung 3 ist eine vergrößerte Darstellung des Schmelzgefäßes (1 bis 1,5 mm innerer Durchmesser

unteren Teils des Tiegels 1, die nochmals deutlich die ist von einem Ring aus Bornitrid (2 bis 2,5 mm innc

Anordnung des durch die Schraubenmutter 5 festge- 35 rer Durchmesser, 2 mm Dicke) umgeben. Unter der

haltenen Bornitrid- bzw. Siliciumnitridringes 3 um Kapillaröffnung ist auf einer absenkbaren Vorricl:

das untere Ende der Kapillare 2 anschaulich macht. tung ein zweiteiliger Auffangtiegel aus Elektrographi:

Das Schmelzgefäß 1 ist zweckmäßigerweise aus (12,3 mm innerer Durchmesser, 2 mm Wandstärke Graphit gefertigt, auf den die Oberflächenschicht aus angebracht, der mit einer Geschwindigkeit vor. p\rolytischem Graphit oder Siliciumcarbid aufge- 30 100 U/min rotiert. Die Tropfenfolge wird so regulier bracht ist. Die Kapillaröffnung 2 am Boden dieses daß die Schmelze über der KrisUllisationsfront bein Schmelzgefäßes hat einen inneren Durchmesser von Auftreffen eines neuen Tropfens gerade noch nichi ca. I bis 3 mm. Der Ring, der diese umgibt, ist vor- vollkommen erstarrt ist. Das Gewicht der Tropfen ist zugsweise aus Bornitrid gefcitigt. Er ist zweckmäßi- konstant und beträgt 20 mg. Dabei wird der Auffanggenveise auswechselbar angebracht und beispielsweise 35 tiegel mit der gleichen Geschwindigkeit abgesenkt, durch eine Mutter 5 auf- und abschraubbar. Der mit der die Kristallisationsfront fortschreitet. Nach Stempel 4 kenn ebenfalls aus mit pyrolytischem Gra- Abkühlen des Auffangtiegels werden durch Entferphit oder Siliciumcarbid beschichtetem Graphit her- nen der Klammern die beiden Tiegelhälften auseingestellt sein. Er kann in dem Bereich, in dem er in andergenowmen. Es wird ein runder rissefreier und die Schmelze eintaucht, wie ein Rührer 6 ausgebildet 40 homogener Stab obiger Zusammensetzung erhalten, sein und gedreht werden, wodurch in der Schmelze Der Schmelztiegel sowie der Auffangtiegel sind für eine Rühiwirkung erzielt wird. weitere Versuche verwendbar.

Eine besondere Ausfühningsform der Vorrichtung

zeigt Abbildung 2. Hier ist das untere Ende des Stern- Beispiel 2 pels genau in eine Erweiterung über der Kapillar- 45

öffnung 7 eingepaßt, wodurch bei Heben und Senken In dem Schmelzgefäß befindet sich eine Schmelze des Stempels 4 die Wirkung einer Schmelzdosiervor- der Zusammensetzung 1,6 Atomprozent Molybdän richtung erreicht wird, d. h. daß je nach Hubhöhe des und 98,4 Atomprczent Silicium und 0,62 Gewichts-Stempels ein Tropfen bestimmter Größe aus dem p.o^ent Bor. In einem mit Argon gefüllten Rezipien-Schmelzgefäß gepreßt wird. 50 ten wird die Schmelze unter Normaldruck auf

Die Halterung 9 kann zum Aufnehmen des stalag- 1480° C erhitzt und durch die Kapillaröffnung abgemitartig wachsenden Halbleiterkörpers dienen. Eine tropft. Der Innendurchmesser der Kapillaröffnung andere bevorzugte Ausführungsform ist das Abtrop- beträgt 1,8 mm. Sie ist von einem Hornitridring mit fen in einen zweiteiligen Auffangtiegd 8, dessen beide einem innere" Durchmesser von 2,5 mm umgeben. Hälften durch die Halterung 9 und die Klammern 10 55 Das Tropfengewicht beträgt 30 mg. Unter der Kapilzusämmengehalten werden. Als Material für diesen laröffnung ist ein Auffangtiegel aus Graphit (IO X Auffangtiegel ist z. B. Elektrographit geeignet. Der 13 mm) angebracht. Die Tropfgeschwindigkeit und Vorteil dieses Auffangtiegels besteht darin, daß der die Absenkgeschwindigkeit werden wie in Beispiel 1 fertige Halbleiterkörper zerstörungsfrei entnommen geregelt. Der Auffangtiegel wird dabei mit einer Gewerden kann und der Tiegel für mehrere Chargen 60 schwindigkeit von 500 U/min rotiert. Nach Abkühlen verwendbar ist. wird ein homogener, rissefreier rechteckiger Stab

Die Halterung 9 lsi auf einer drehbaren und ab- obiger Zusammensetzung erhalten. Der Schmelztiegel

senkbaren Vorrichtung angebracht. sowie der Auffangtiegel sind für den nächsten Ver-

Die gesamte Apparatur ist durch einen Rezipien- such wieder verwendbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von homogenen Halbleiterkörpern aus Siliciumlegierungen, bei dem eine homogene Schmelze der Legierung aus einem Schmelzgefäß mit Hilfe eines sich in der Schmelze vertikal auf- und abbewegenden Stempels durch eine Kapillaröffnung am Boden des Schmelzgefäßes tropfenweise entfernt wird und unterhalb des Gefäßes in einen Auffangtiegel tropft, in dem sie fortschreitend in dünner Schicht kristallisiert, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schmelze aus Germanium-Silicium oder Molybdän-Silicium, ein Schmelzgefäß, das ganz oder mit einer Oberfläche aus pyrolytischem Gr tphit oder Glieiumcarbid besteht, und eine kapillaröff.iung, die von Bornitrid oder Siliciumnitrid umgeben ist, verwendet werden und daß die Tropfengröße so eingestellt wird, daß jeder Tropfen ein konstantes Gewicht zwischen 5 und 200 mg aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trcpfengröße so eingestellt wird, daß jeder Tropfen ein konstantes Gewicht zwischen 10 und 60 mg aufweist

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dau zwischen Stempel und Kapi! laröffnung ein Minimalabi, land ν π 0,1 bis 10 mm eingehalten wird.