DE19604027C1 - Vorrichtung zur dampfdruckkontrollierten Czochralski-Züchtung von A¶I¶¶I¶¶I¶B¶V¶-Kristallen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur dampfdruckkontrollierten Czochralski-Züchtung von A_IIIB_V-Kristallen, bestehend aus einem Hochdruckbehälter mit temperaturbeständigen, druckfesten Dreh- und Hubdurchführungen für eine einen Keimkristall aufweisende Ziehwelle, die in ein im Hochdruckbehälter angeordnetes dicht verschlossenes Züchtungsgefäß ragt, das einen Tiegel und Dichtungen aufweisende Durchführungen für Ziehwelle und mit dem Boden des Züchtungsgefäßes verbundene und durch den Hochdruckbehälter geführte Tiegelwelle enthält, sowie Mitteln zur Einstellung eines Temperaturgradienten entlang der Ziehachse, Mitteln zur Prozeßbeobachtung und Mitteln zur Aufrechterhaltung eines Gegendruckes der dissoziierenden Komponente.

III-V-Halbleiterkristalle (GaAs, InP, GaP) werden konventionell nach der Liquid- Encapsulated-Czochralski (LEC)-Methode gezüchtet (K.T. Wilke, J. Bohm: Kristallzüchtung, Verlag der Wissenschaften Berlin, 1988, 713 ff). Bei diesem Verfahren wird die Schmelze von einer flüssigen B₂O₃-Schmelze abgedeckt, um das Abdampfen der Komponenten mit hohem Dissoziationsdampfdruck (Arsen, Phosphor) zu verhindern. Der Kristall wird sodann durch diese Abdeckschicht hindurchgezogen, durchläuft jedoch, auch bedingt durch die geringe Wärmeleitfähigkeit des B₂O₃, einen steilen axialen Temperaturgradienten (100 bis 150 K/cm), der zu einer hohen Versetzungsdichte im Kristall führt (über 10⁴ bis 10⁵ cm^-2). Eine solch große Versetzungsdichte ist für die Realisierung neuer Bauelementkonzepte in der High- Speed Mikroelektronik und Optoelektronik zu hoch.

Eine andere Methode zur Züchtung von A_IIIB_V-Kristallen ("Gremmelmaier-Verfahren") ist beispielsweise in dem oben zitierten Buch "Kristallzüchtung", Verlag der Wissenschaften Berlin, 1988, Seite 716 beschrieben. In einem hermetisch abgeschlossenen beheizten Züchtungsraum, einer Ampulle, werden hierbei die notwendigen Zieh- und Rotationsbewegungen mittels magnetischer Einkopplung realisiert. Eine solche Lösung ist aber in ihrer Handhabung sehr aufwendig.

Aus der Forderung nach einer deutlich verringerten Versetzungsdichte in Czochralski- Kristallen (kleiner 10⁴ cm^-2) ergibt sich die Forderung nach geringen Temperaturgradienten. Bereits lange bekannt ist die naheliegende Installation eines Nachheizers um den wachsenden Kristall (K.T. Wilke, J. Bohm: Kristallzüchtung, Verlag der Wissenschaften Berlin, 1988) oder eines Rohrs zur Verminderung der wärmeableitenden Gaskonvektion (G. W. Iseler: J. Crystal Growth 54 (1981)16). Im Falle der inkongruent dissoziierenden Verbindungen, wie GaAs und InP, führt jedoch eine solche alleinige Maßnahme zum Abdampfen der flüchtigen Komponente von der in diesem Fall relativ heißen Oberfläche des wachsenden Kristalls. Dadurch bilden sich Tröpfchen der Überschußkomponente, die das Wachstum störend beeinflussen (z. B. beschrieben in J. Crystal Growth 114 (1991) 665 und Microelectronic Journal, 13 (1982) 5). Aus diesem Grunde muß das Kristallwachstum in einem geschlossenen Innengefäß mit gesättigter, kontrollierter Dampfdruckatmosphäre aus Spezies der dissoziierenden Komponente (z. B. Arsen) stattfinden.

Seit Anfang der 80er Jahre sind deshalb Entwicklungen auf die Ausgestaltung solcher Innengefäße gerichtet. Als Hauptprobleme erwiesen sich dabei

• - die Erzielung einer hohen Gefäßdichtheit bei gleichzeitiger Einkopplung von Dreh- und Translationsbewegungen (Durchführungen für Tiegel- und Ziehwelle),
• - die Temperaturkontrolle der Zusatzquelle (As, P),
• - die Aufrechterhaltung der Prozeßbeobachtbarkeit (Transparenz der Einblickfenster im Innengefäß) und damit in engem Zusammenhang
• - die Prozeßführung, damit während des Aufheizvorganges die Evakuierung des Innengefäßes, das Ausdampfen von Restwassergehalten aus dem B₂O₃ sowie sich bildender Oxide und der Inertgasdruckausgleich (auch beim Abkühlen) gewährleistet ist.

Das Problem der Prozeßbeobachtbarkeit erwächst aus den im Gefäß ablaufenden thermochemischen Reaktionen, die z. B. im Falle der GaAs-Züchtung zu einer Abscheidung von Galliumoxid-, Gallium-, Arsenoxid-, und GaAs-Belägen auf dem Sichtfenster und dadurch zur Unkontrollierbarkeit des Prozesses (gewöhnlich mit Fernsehkamera) führt. Die Aufrechterhaltung einer guten optischen Kontrollierbarkeit des Ziehvorganges hängt wesentlich von der Transparenz des Sichtfensters, d. h. von der Verhinderung von Niederschlägen auf diesem ab. Aus dem bekannten Stand der Technik ist erkennbar, daß dabei der Einstellung einer optimalen hohen Temperatur am Sichtfenster eine besondere Rolle zukommt. In JP 1-242489 wird eine spezielle Heizwicklung vorgeschlagen, die auf einer transparenten Gefäßglocke aus Kieselglas aufgebracht ist, jedoch dadurch die Durchsicht und Kontrollierbarkeit des Ziehvorganges beträchtlich einschränkt. In JP 6-16492, JP 6-164 93 und JP 5-286797 ist ein Kieselglastubus beschrieben, der in das Innengefäß ragt, um offensichtlich die optimale Temperatur an der Tubusstirnseite durch die Verstellbarkeit der Höhe einzustellen. Eine solche Anordnung erfordert jedoch ein stillstehendes Innengefäß bzw. ein nichtrotierendes Gefäßoberteil und damit eine zusätzliche Gefäßdichtung sowie eine zusätzliche Dichtung zwischen Gefäß und Tubus.

Zur Erzielung einer hohen Gefäßdichtheit bei gleichzeitiger Einkopplung von Dreh- und Translationsbewegungen sind dem Stand der Technik nach Flüssigdichtungen bekannt. Flüssigdichtungen aus B₂O₃ an den einkoppelnden Tiegel- und Kristallziehwellen sind beispielsweise in JP 60-11298, JP 60-264390, JP 62-297291, JP 3-252395 und US 5,256,381 und/oder zur Fügung zweier Gefäßhälften in JP 62- 113795, JP 3-115168 - wobei auch die Abdeckschmelze selbst als Dichtung fungieren kann (wie in JP 60-11295, JP 5-139885) - beschrieben. Alle Dichtungen mit Flüssigkeiten als Dichtungsmittel besitzen bei hohen Temperaturen und Drücken als Nachteile eine u. U. zu geringe Viskosität ("Austropfen" der Dichtung), weisen chemische Wechselwirkungen mit angrenzenden Materialien, Labilität gegenüber Druckunterschieden zwischen Innen- und Außencontainer auf und führen gewöhnlich beim Abkühlen zu Verklebungseffekten.

Um diese Nachteile bei einer industriellen Züchtung zu vermeiden, sind z. B. in JP 61- 209985, JP 60-11299 mechanische Dichtungen dargestellt, die aber kaum detailliert beschrieben wurden. In US-PS 1.074.248 ist eine Vorrichtung zur Czochralski- Züchtung - hier jedoch ohne Abdeckschicht der Schmelze - von chromdotierten GaAs- Kristallen beschrieben, bei der der obere Teil der Züchtungskammer durch eine untere aus Graphit gebildete und eine in einem Abstand hierzu angeordnete obere aus Teflon gebildete Dichtung verschlossen ist, durch die die Ziehstange geführt ist.

Ebenfalls für ein Verfahren zur Herstellung von Verbindungshalbleiterkristallen nach Czochralski ohne Abdeckschicht wird in der in DE-OS 15 19 914 beschriebenen Lösung die Züchtungskammer mit direkt angetriebener Ziehstange gasdicht verschlossen. Dieser Verschluß, durch den die Ziehstange ragt, ist beispielsweise als kegelförmige Dichtung des Züchtungsgefäßes aus Quarz und einem eingepaßten Kegelstumpf aus Bornitrid gebildet. Weiterhin kann der Verschluß als Züchtungsgefäß mit "Deckel" ausgebildet sein, wobei der Deckel optisch flach geschliffen und gegen eine flache Kante des Züchtungsgefäßes gepreßt ist, oder zwischen einem verschließenden Teil und der Kante des Gefäßes ein weicher, streckbarer Ring aus Au, Ag, Pt oder einer Legierung aus diesen Metallen angeordnet ist. Wenn eine Regelung des As-Dampfdruckes in dem geschlossenen System nicht eingefügt ist, sieht die erwähnte Lösung eine As-Falle vor, die konzentrisch die Ziehstange umschließt, von einem Graphitlager als unterer Dichtung und einer oberen Dichtung, beispielsweise aus Teflon, begrenzt wird, und somit das As hier kondensiert, um Antrieb und Dichtung vor Zerstörung zu schützen.

Bei den beiden zuletzt erwähnten Veröffentlichungen für Herstellungsverfahren von Verbindungshalbleiterkristallen nach der Czochralski-Methode wurden die beschriebenen Dichtungen durch einen dichten Verschluß zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten gebildet und gewährleisten nur eine starre vertikale Bewegung der Ziehstange.

Derartige konventionelle mechanische Dichtungen besitzen als Nachteil einen hohen Verschleißgrad, Undichtheit bei hohen Temperaturen und - im Falle einer automatischen Züchtung mit Kristallwägung - die Gefahr der Verfälschung des Wägesignals.

Um während des Aufheiz- und Abkühlvorganges über eine bestimmte Zeit das Innengefäß geöffnet zu halten, z. B. zum Ausdampfen von Restwasser und Oxiden (JP 6-16493), ist ein Öffnungs-/Schließvorgang des Innengefäßes zu gewährleisten. Die Mehrzahl der Veröffentlichungen beschreibt aber nicht diesen technologisch wichtigen Vorgang. In JP 60-11299, JP 3-115186, JP 3-50188 ist eine Tauchglocke in die B₂O₃- Abdeckschmelze als oberes Gefäßteil ausgebildet, die jedoch wiederum den Nachteil einer Flüssigdichtung aufweist. In JP 62-297291, JP 3-285887, JP 3 285886 sind auf- und verschließbare Preßdichtungen über den gesamten Durchmesser zwischen Gefäßunter- und -oberteil zu erkennen, die aber die Gefahr der Undichtheit mitsichbringen. Hervorzuheben ist der überwiegende nachteilige Einsatz mehrerer Dichtungen in einem Züchtungsgefäß zugleich.

Zumeist wir die Zusatzquelle für die dissoziierende Komponente (z. B. As, P) im Züchtungsgefäß mit untergebracht und durch einen Zusatzheizer in der Temperatur beeinflußt JP 60-264394, JP 62-217000, JP 6-16492. Eine präzise Kontrolle der Quellentemperatur ist in diesem Falle jedoch wegen der im relativ voluminösen Zwischengefäß vorhandenen Gaskonvektion nicht möglich. Kompliziertere Vorrichtungen trennen die Zusatzquelle vom Züchtungsraum über Zuleitungen (z. B. JP 2-279590, JP 6-1693), erfordern aber zusätzliche Dichtungen und ggf. Zusatzheizungen an den Versorgungsleitungen (JP 2-279590).

Bisher ist keine technische Lösung bekannt, in der die zuvor genannten Probleme gleichzeitig nicht mehr auftreten.

Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, ist mehreren bereits erwähnten Veröffentlichungen zu entnehmen; so wird hier die JP 3-252395 beispielhaft genannt. In dieser Veröffentlichung ist eine Vorrichtung zur dampfdruckkontrollierten LEC- Züchtung beschrieben, bei der in einem Hochdruckbehälter ein Züchtungsgefäß angeordnet ist. In das die Schmelze und die Abdeckschmelze enthaltende Züchtungsgefäß ragt eine drehbar gelagerte Ziehwelle, an der der Keimkristall befestigt ist. Der Boden des Züchtungsgefäßes ist mit einer Tiegelwelle verbunden, die mit einer Flüssigdichtung durch die Hochdruckbehälterwandung hindurchgeführt ist. Die Ziehwelle ist durch die Wandung des Züchtungsgefäßes geführt und ebenfalls mit einer Flüssigdichtung abgedichtet. Die Vorrichtung weist weiterhin Mittel zur Einstellung eines Temperaturgradienten entlang der Ziehachse und Mittel zur Aufrechterhaltung eines Gegendruckes der dissoziierenden Komponente in einem separaten Teil des Züchtungsgefäßes auf Mittel zur Prozeßbeobachtung sind der Beschreibung nicht zu entnehmen, diese sind beispielsweise in JP 3-115186 dargestellt. In diesem Fall ragt ein Beobachtungstubus bis an die Wandung des Züchtungsgefäßes durch die Hochdruckbehälterwandung hindurch.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur dampfdruckkontrollierten Czochralski-Züchtung von versetzungsarmen A_IIIB_V- Kristallen bei guter Prozeßbeobachtbarkeit anzugeben, deren Züchtungsgefäß zu öffnen ist und im geschlossenen Zustand dicht schließt und die eine definierte Steuerung der Zusatzquelle der dissoziierenden Komponenten gewährleistet. Die Vorrichtung soll eine sichere Prozeßführung bei einfachem Aufbau mit verschleißarmen Bauteilen und niedrigem Aufwand für die Wartung sowie für die Vor- und Nachbereitung gewährleisten.

Die erfindungsgemäße Lösung hierfür besteht darin, daß in einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art das Züchtungsgefäß trennbar in Züchtungsgefäßober- und -unterteil ausgebildet und am Züchtungsgefäßoberteil ein dornförmiges Aufsatzteil angeordnet ist, das domförmige Aufsatzteil eine verfahrbare, die Ziehwelle umschließende, aus Dichtungskegel und diesen Dichtungskegel umschließendem Dichtungskegelgehäuse bestehende Kegeldichtung aufweist, wobei die Ziehwelle in einem keramischen Rohrkörper angeordnet ist, der Rohrkörper mit Ziehwelle und Kegeldichtung in einem durch das domförmige Aufsatzteil geführten Tubus angeordnet ist, das Dichtungskegelgehäuse gleichzeitig als Wandung des Tubus ausgebildet ist, die obere Stirnfläche des Dichtungskegelgehäuses dicht mit dem Deckel des Züchtungsgefäßoberteils schließt, die untere Stirnfläche des Dichtungskegelgehäuses mit einer Konvektionssperre fest verbunden ist und im oberen Teil des domförmigen Aufsatzteils eine zusätzliche Dampfdruckquelle für die dissoziierende Komponente angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht damit den Kristallziehvorgang in einem dichten, heißen Innengefäß ohne Dampfabfluß, dessen einzige bewegte Dichtung zur Ziehwelle so angeordnet ist, daß ihr Gehäuse am unteren Ende mit einer Konvektionssperre fest verbunden ist, die den Dichtelementen eine so große Wärmemenge zuführt, daß diese die höchste Temperatur relativ zum oberen Bereich des Züchtungsgefäßes aufweisen. Das Dichtungskegelgehäuse ist während der Züchtung fest mit dem oberen Deckel des Züchtungsgefäßes verbunden, jedoch ragt es relativ zu diesem so weit nach unten in das Züchtungsgefäß hinein, daß sich im Bereich des Deckels des Züchtungsgefäßes eine so niedrige Temperatur einstellt, wie sie für die im oberen Teil des domförmigen Aufsatzteils angeordnete zusätzliche Dampfdruckquelle erforderlich ist. Die Abmessungen des die Ziehwelle führenden keramischen Rohrkörpers sind so gewählt, daß sie im Züchtungszustand mit der Kegeldichtung einen zuverlässigen Verschluß des Züchtungsgefäßes bei gleichzeitig hoher Gleitfähigkeit des Rohrkörpers garantieren.

Zur Unterstützung der unterschiedlichen Temperaturniveaus im Züchtungsgefäß ist die Konvektionssperre so gestaltet, daß sie an ihrem Außendurchmesser mit dem Züchtungsgefäß dicht schließt und somit den oberen Bereich des Züchtungsgefäßes, das domförmig ausgebildete Aufsatzteil, in deren oberen Teil die Dampfdruckquelle angeordnet ist, abteilt. Damit erfolgt eine thermische Trennung des dornförmigen Aufsatzteils vom übrigen Züchtungsraum mittels Konvektionssperre. In einer Ausführungsform ist die Konvektionssperre als tellerförmiger Wärmestrahlungsempfänger ausgebildet. Durch lochkranzförmige Kapillarbohrungen im Wärmestrahlungsempfänger sind beide Bereiche miteinander verbunden, so daß ein Ausgleich der Partialdruckdifferenz erfolgen kann und die Spezies der zusätzlichen Dampfdruckquelle in den unteren Züchtungsraum eintreten können.

Zur Einstellung des Arbeitspunktes der Dampfdruckatmosphäre ist das Dichtungskegelgehäuse außen gegenüber der Dampfdruckquelle wärmeisoliert, um einen intensiven Wärmeaustausch mit dem kälteren Schutzgas im Außenbereich zu erzielen.

In weiteren Ausführungsformen enthält der Tiegel im Züchtungsgefäß eine ungeschützte Schmelze oder eine Schmelze und darauf angeordnet eine Abdeckschmelze. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit variabel für die Züchtung von A_IIIB_V-Kristallen nach der Czochralski-Methode einsetzbar.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die verfährbare Kegeldichtung als Labyrinthdichtung, insbesondere als Lamellendichtung ausgebildet. Die scheibenförmigen Dichtungslamellen schließen alternierend dicht mit dem Gehäuse bzw. mit dem Rohrkörper, in dem die Ziehwelle angeordnet ist, unter Berücksichtigung der thermischen Ausdehnung am Arbeitspunkt. Damit ist das mit der Tiegelwelle rotierende Züchtungsgefäß gegenüber der gegensinnig rotierenden Ziehwelle abgedichtet. Diese Dichtheit ist auch gewährleistet, wenn eventuell leichte Abweichungen in der Achsenfluchtung zwischen Tiegelwelle und Ziehwelle auftreten, da diese durch die besondere Form der Dichtungslamellen abgefangen werden können. Die Lebensdauer dieser Dichtung ist im Vergleich zu konventionellen mechanischen Dichtungen, die sehr temperaturabhängig sind, aufgrund der beschriebenen Flexibilität höher, außerdem ist die Verfälschung des Gewichtssignals kleiner.

Andere Ausführungsformen sehen vor, daß der Dichtungskegel der verfahrbaren Kegeldichtung durch einen Hartanschlag an der unteren Stirnfläche der Ziehwelle betätigbar und durch Gewichtslast verschließbar ist, und am oberen Rand des Dichtungskegelgehäuses radial ausschwenkbare Klinken anzuordnen. Der Dichtungskegel kann damit im Bereich vor dem oberen Totpunkt ausgehoben werden. Dadurch ist ein Evakuieren oder Schutzgasbefüllen des Züchtungsgefäßes, ein Druckausgleich während des Aufheiz- und Abkühlvorgangs und ein Abtransport unerwünschter Oxidgase während der Prozeßaufheizung möglich. Die ausschwenkbaren Klinken begrenzen den Dichtungskegelweg und ermöglichen bei Öffnung des Hochdruckgefäßes ein Verfahren des Züchtungsgefäßes und damit eine Kristallernte ohne Keimbruch.

Die zusätzliche Dampfdruckquelle ist in einer weiteren Ausführungsform als eine im oberen Teil des domförmigen Aufsatzteils innen umlaufende Rinne und thermisch isoliert zur die Ziehwelle umschließenden Kegeldichtung ausgebildet, und außen in Höhe der Rinne weist das domförmige Aufsatzteil ein Radiatorprofil auf.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, als Verschluß des domförmigen Aufsatzteils vom übrigen Raum des Züchtungsgefäßes ringförmige, parallel angeordnete, optisch polierte und durch einen schmalen Zwischenraum mit Gaszutritt voneinander distanzierte zwei Kieselglasplatten anzuordnen, deren Durchmesser dem domförmigen Aufsatzteil und dem Züchtungsgefäß angepaßt sind. So wird ein Wärmestau und dadurch eine Aufheizung der Kieselglasplatten erzeugt, damit die Kondensatbildung minimiert und eine Beobachtung während des gesamten Züchtungsprozesses mittels eines an die obere Kieselglasplatte herangeführten Kieselglasstabes möglich ist.

Die folgenden Ausführungsformen betreffen Bauteile im Hochdruckbehälter. So ist die Ziehwelle innerhalb des Hochdruckbehälters an ihrer oberen Stirnfläche mit einer Kupplungshülse aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff fest verbunden und deren überstehender Teil stirnseitig an einer metallischen Kupplung der durch den Hochdruckbehälter ragenden Maschinenziehwelle fest eingespannt. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der überstehende Teil der Kupplungshülse mittels koaxialer Schlitzungen in radial wirkende elastische Biegeelemente aufgeteilt.

Weitere Merkmale und zweckmäßige Ausgestaltungsformen der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen, die an Hand der Figuren näher erläutert werden.

Dabei zeigen

Fig. 1 eine schematische Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1, in dem eine verfahrbare, den die Ziehwelle enthaltenden Rohrkörper umschließende Kegeldichtung detailliert dargestellt ist;

Fig. 3 die Verbindung der Ziehwelle mit der Maschinenziehwelle im Hochdruckgefäß;

Fig. 4 eine detaillierte Darstellung der gemäß Fig. 3 die Ziehwelle und die Maschinenziehwelle verbindenden Kupplung in der schematisierten Draufsicht und im Längsschnitt.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur dampfdruckkontrollierten Czochralski-Züchtung von A_IIIB_V-Kristallen zeigt das in einem Hochdruckgefäß 1, das auch evakuierbar ausgebildet ist, angeordnete Züchtungsgefäß 2, das von einem Hauptheizer 3 und zur Abschirmung gegen die Wand des Hochdruckgefäßes 1 von Wärmeschutzschilden 4 umgeben ist. Das Züchtungsgefäß 2 ist mittels eines Flansches 5 zwecks Beschickung und Kristallernte trennbar in Züchtungsgefäßoberteil 2a und Züchtungsgefäßunterteil 2b ausgeführt. Das Züchtungsgefäßunterteil 2b nimmt den die Schmelze 7 und die Abdeckschmelze 8 enthaltenden Tiegel 6 auf. In den Tiegel 6 ragt die in einem keramischen Rohrkörper geführte Ziehwelle 9 mit einem Keimkristall 10. Die Ziehwelle 9 ist im Hochdruckgefäß 1 mittels einer Kupplungshülse 11 mit einer Maschinenziehwelle 12 verbunden. Das Züchtungsgefäßoberteil 2a weist ein domförmiges Aufsatzteil 13 auf, das einen Tubus 14 aufweist, in dem die im Rohrkörper angeordnete Ziehwelle 9 und eine Kegeldichtung 15 geführt sind. Die Kegeldichtung 15 ist in Fig. 2 detaillierter dargestellt. Für das Ausheben des Dichtungskegels 15a entgegen der Wirkung der im Hochdruckgefäß 1 um die Ziehwelle 9 angeordneten rohrförmigen Gewichte 16, die ihn andernfalls sicher schließen, weist die Ziehwelle 9 am unteren Ende einen Hartanschlag 17 auf. Die rohrförmigen Gewichte 16 sind mit relativ engem Spalt in eine Wärmeschirmung 18 zum Deckel des Hochdruckgefäßes 1 eingepaßt. Im oberen Teil des Dichtungskegelgehäuses 15b, das gleichzeitig als Wandung des Tubus 14 ausgebildet ist, befindet sich innen eine als Rinne ausgebildete Zusatzquelle 19 der dissoziierenden Komponente, die durch den Nachheizer 20 auf eine definierte Temperatur aufgeheizt wird. Um die Zusatzquelle 19 weist das domförmige Aufsatzteil 13 außen ein Radiatorprofil 21 auf. Damit wird die Abstrahlung von Wärme zum Erreichen von gegebenenfalls deutlich niedrigeren Temperaturen in der Zusatzquelle 19 als im Züchtungsgefäß 2 und damit eine gute Kontrollierbarkeit der Temperatur über einen relativ großen Bereich in Ziehrichtung ermöglicht. Der Boden des Züchtungsgefäßes 2, der eine Kegelbohrung 22 und eine Quernut aufweist, lastet auf der Stirnfläche 23 des kegelförmig ausgebildeten Kopfteils der Tiegelwelle 24, über die die Führung und Rotationsmitnahme des Züchtungsgefäßes 2 realisiert wird. Das Züchtungsgefäß 2 hat damit nicht den üblichen Reibschluß, sondern ein Kippspiel, das toleranzbedingte Verlagerungen des Züchtungsgefäßes 2 gestattet, andererseits aber das Züchtungsgefäß 2 beim Zusammenfahren des Hochdruckgefäßes 1 in die Startposition ausreichend zentriert und auch eine sichere Handhabung beim Einbau gewährleistet. Dadurch führt der unumgängliche radiale Versatzfehler zwischen Tiegelwelle 24 und Ziehwelle 9 nicht zur Zerstörung der Kegeldichtung 15. Das domförmige Aufsatzteil 13 des Züchtungsgefäßes 2 ist mittels zweier in einem Ringflansch 25 aufgespannter ringförmiger, parallel angeordneter, optisch polierter Kieselglasplatten 26a und 26b mit unterschiedlichen Durchmessern, die denen der Bauteile der Kegeldichtung 15 entsprechen, die sie konzentrisch umschließen, zum übrigen Teil des Züchtungsgefäßes 2 abgetrennt. Die beiden Kieselglasplatten 26a und 26b sind durch einen Distanzring 27 voneinander getrennt und mit Belüftungsbohrungen 28 versehen. Über einen Kieselglasstab 29, der dicht an die Kieselglasplatte 26a herangeführt ist, ist eine ständige Prozeßbeobachtung gewährleistet, da die Transparenz dieser Kieselglasplatten 26a und 26b durch den zwischen den Scheiben erzeugten Wärmestau und daraus resultierend eine minimierte Kondensatbildung an den Kieselglasplatten 26a und 26b realisiert ist. Das domförmige Aufsatzteil 13 ist mittels einer Konvektionssperre 30, die für die Spezies der Zusatzquelle 19 durchlässig ist, thermisch vom Züchtungsraum getrennt.

Fig. 2 zeigt die Durchführung der Ziehwelle 9 durch das domförmige Aufsatzteil 13 in das Hochdruckgefäß 1 im Detail. Wie bereits erwähnt, umschließt das domförmige Aufsatzteil 13 einen Tubus 14, in dem die im Rohrkörper angeordnete Ziehwelle 9 und die Kegeldichtung 15 geführt sind. Mit einem Deckel 31 wird das domförmige Aufsatzteil 13, in dessen oberem Dichtungskegelgehäuse 15b sich die Zusatzquelle 19 für die dissoziierenden Komponenten befindet, zum Hochdruckgefäß 1 dicht verschlossen. Somit gelangen die Spezies der Zusatzquelle 19 - wie gewünscht - durch die Konvektionssperre 30 nur in das Züchtungsgefäß 2. Die Kegeldichtung 15 weist einen Dichtungskegel 15a auf, der dem diesen Dichtungskegel 15a umschließenden Dichtungskegelgehäuse 15b angepaßt ist. Der Dichtungskegel 15a ist mit einer lamellenartigen Dichtscheibenanordnung 15c versehen, deren unterste Dichtscheibe relativ zum Dichtungskegelgehäuse 15b bei Züchtungstemperatur ein leichtes Übermaß, zur Ziehwelle 9 aber einen engen Gleitsitz aufweist, wie auch alle weiteren aufliegenden Dichtscheiben, nur daß diese zum Dichtungskegelgehäuse 15b alternativ einen engen Gleitsitz oder ein Spielmaß aufweisen. Die unterste Dichtscheibe garantiert somit die konzentrische Führung der Ziehwelle 9, während alle anderen Dichtscheiben bei einer toleranzbedingten Taumelbewegung des Züchtungsgefäßes 2 unter Beibehaltung ihrer Dichtungsfunktion seitlich ausweichen können und somit diese Bewegung erlauben. Das Dichtscheibenpaket erhält eine definierte Axialpressung durch die über eine Preßhülse 32 und einen Lastteller 33 aufliegenden rohrförmigen Gewichte 16. An der Preßhülse 32 sind zwei Klinken 34, 35 angeordnet, deren massebehaftete Hebel fest mit diesen verbundene Stützfinger 36 zur Ziehwelle 9 schwenken, so daß in zusammengefahrenem Zustand der Dichtungskegel 15a nach einem begrenzten Öffnungsweg mit seinem Hartanschlag 37 auf die Stützfinger 36 trifft. Dadurch kann nach dem Belüften und Abkühlen bei Öffnung des Hochdruckgefäßes 1 das Züchtungsgefäß 2 mittels Ziehwelle 9 aus dem Ofenaufbau herausgezogen werden, ohne dabei den Keim zu belasten. Von Vorteil hat sich auch erwiesen, daß sich der Dichtungskegel 15a beim "blinden" Zusammenfahren der Hochdruckgefäßteile sich "seine" Mitte im Züchtungsgefäß 2 sucht und dieses zentriert. Die bereits in Fig. 1 erwähnte Konvektionssperre 30 ist hier als tellerförmiger Wärmestrahlungsempfänger dargestellt.

Züchtungsgefäß 2, Kieselglasplatten 26a und 26b sowie domförmiges Aufsatzteil 13 drehen sich mit der Tiegelwelle 24 mit. Während der Züchtung muß sich die Ziehwelle 9 mit dem Keimkristall 10 und dem wachsenden Kristall gegensinnig zum Züchtungsgefäß 2 und damit auch zur Schmelze 7 drehen. Dabei gewährleistet die beschriebene Dichtung 15 die notwendige Gefäßdichtheit.

Um sowohl den mechanischen Rundlauf, als auch die Gasdichtigkeit der konzentrischen Verbindung der keramischen Ziehwelle 9 mit der Maschinenziehwelle 12 aus V2A und ihrem ca. 2,2fach größerem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu gewährleisten, ist die Ziehwelle 9 in eine Kupplungshülse 11 aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff (CFC) - wie in Fig. 3 dargestellt - eingepreßt.

Der metall-zugewendete Paßbund 38 ist mit stirnseitigen Schlitzungen versehen, z. B. in 6 × 60 Grad-Teilung in axialer Richtung, so daß sich radial wirkende elastische Biegeelemente 39, die in Fig. 4 dargestellt sind, ergeben.

Der Stirnpaßbund 38 der Biegeelemente 39 zwischen der metallischen Spindelkupplung 40 und der Maschinenziehwelle 12 ist so eng gefaßt, daß die Biegeelemente 39 in konzentrischer Weise den größeren Wärmedehnungen der V2A-Teile, so auch der Maschinenziehwelle 12, folgen müssen. Dadurch bleibt aber der Rundlauf der in einem Rohrkörper angeordneten Ziehwelle 9 erhalten. Zur Erzielung einer Gasabdichtung sind Dehnungsbuchsen 41 und 42 aus CFC angeordnet, die jeweils in die zugehörige Bohrung fest eingepreßt, aber zueinander so ausgelegt sind, daß der erforderliche Montagespalt bei Betriebstemperatur als Preßbund geschlossen ist.

Vor dem eigentlichen Züchtungsvorgang wird das Züchtungsgefäß 2 mittels der Kegeldichtung 15 geöffnet und evakuiert. Danach wird der Hauptheizer 3 auf ca. 600°C erhitzt und das Züchtungsgefäß 2 gemeinsam mit dem Hochdruckgefäß 1 nach Aufschmelzen des Boroxides für die Abdeckschmelze 8 und einer Haltezeit - zum Abdampfen des Restwassergehaltes und verschiedener Oxide - mit 2,0 MPa Argongas gefüllt. Anschließend wird die Kegeldichtung 15 durch Hochfahren der Tiegelwelle 24 und damit auch des Züchtungsgefäßes 2 dicht verschlossen. Durch weiteres Aufheizen des Hauptheizers 3 wird die Schmelze 7 erzeugt und auf einer konstanten Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von GaAs (1235°C) gehalten. Dann wird die Ziehwelle 9 mit Keimkristall 10 in die Schmelze 7 eingetaucht und der Ziehvorgang des Kristalls durchgeführt. Dieser Vorgang ist mit einer infrarotempfindlichen Kamera außerhalb des Hochdruckgefäßes 1 durch den Kieselglasstab 29 hindurch kontrollierbar. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht die Aufrechterhaltung flacher axialer Temperaturgradienten von ca. 15 bis 20 Kcm^-1 in dem wachsenden Kristall und eine relativ hohe konstante Temperatur der Kieselglasplatten 26a und 26b von etwa 1000°C, wodurch eine hinreichend gute automatische Kontrolle während des Ziehvorganges gewährleistet werden kann. Außerdem konnte durch die erfindungsgemäße Lösung innerhalb des Züchtungsgefäßes 2 ein Arsengegendruck aufrecht erhalten werden, der das Abdampfen von Arsen von der Kristalloberfläche verhinderte. Der Arsendampfdruck wird über die Regelung der Temperatur der Zusatzquelle 19 mittels des Nachheizers 20 auf ca. 0,1 MPa konstant gehalten. Die dazu erforderliche relativ niedrige Quellentemperatur von ca. 620 bis 650°C kann erfindungsgemäß mittels Konvektionssperre 30 und Radiatorprofil 21 realisiert werden, da sich ein starker Temperaturabfall über die Länge des domförmigen Aufsatzteiles 13 bildet. Nach Beendigung des Ziehvorganges wird der im Züchtungsgefäß 2 freihängende Kristall langsam durch Leistungsreduzierung des Hauptheizers 3 abgekühlt. Nach Erreichen einer Innentemperatur von ca. 800°C wird das Züchtungsgefäß 2 zum Zwecke eines Druckausgleichs mittels Kegeldichtung 15 geöffnet und bis auf Zimmertemperatur weiter abgekühlt.

Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezogenen monokristallinen GaAs- Kristalle hatten einen Durchmesser von 3 Zoll. Ihre Oberfläche war nahezu spiegelnd und wies keine Verdampfungsanzeichen auf. Es wurde eine mittlere Ätzgrubendichte von 10⁴ cm^-2 nachgewiesen, was eine Reduzierung um eine halbe Größenordnung gegenüber der konventionellen LEC-Methode für GaAs-Kristalle gleichen Durchmessers bedeutet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichte eine sichere Prozeßführung. Durch den Einsatz verschleißarmer Bauteile unter definierten Temperaturbedingungen konnte ein niedriger Aufwand für die Wartung sowie für die Vor- und Nachbereitung gewährleistet werden.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur dampfdruckkontrollierten Czochralski-Züchtung von A_IIIB_V- Kristallen, bestehend aus einem Hochdruckbehälter mit druckfesten Dreh- und Hubdurchführungen für eine einen Keimkristall aufweisende Ziehwelle, die in ein im Hochdruckbehälter angeordnetes dicht verschlossenes Züchtungsgefäß ragt, das einen Tiegel und Dichtungen aufweisende Durchführungen für Ziehwelle und mit dem Boden des Züchtungsgefäßes verbundene Tiegelwelle enthält, sowie Mitteln zur Einstellung eines Temperaturgradienten entlang der Ziehachse, Mitteln zur Prozeßbeobachtung und Mitteln zur Zuführung der dissoziierenden Komponente, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Züchtungsgefäß (2) trennbar in Züchtungsgefäßober- (2a) und -unterteil (2b) ausgebildet und am Züchtungsgefäßoberteil (2a) ein domförmiges Aufsatzteil (13) angeordnet ist,
• - das domförmige Aufsatzteil (13) eine verfahrbare, die Ziehwelle (9) umschließende, aus Dichtungskegel (15a) und diesen Dichtungskegel umschließendem Dichtungskegelgehäuse (15b) bestehende, Kegeldichtung (15) aufweist, wobei die Ziehwelle (9) in einem keramischen Rohrkörper angeordnet ist,
• - Rohrkörper mit Ziehwelle (9) und Kegeldichtung (15) in einem durch das domförmige Aufsatzteil (13) geführten Tubus (14) angeordnet sind,
• - das Dichtungskegelgehäuse (15b) gleichzeitig als Wandung des Tubus (14) ausgebildet ist,
• - die obere Stirnfläche des Dichtungskegelgehäuses (15b) dicht mit dem Deckel (31) des Züchtungsgefäßoberteils schließt,
• - die untere Stirnfläche des Dichtungskegelgehäuses (15b) mit einer Konvektionssperre (30) fest verbunden ist und
• - im oberen Teil des domförmigen Aufsatzteils (13) eine zusätzliche Dampfdruckquelle (19) für die dissoziierende Komponente angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (6) im Züchtungsgefäßunterteil (2b) eine Schmelze (7) enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (6) im Züchtungsgefäßunterteil (2b) eine Schmelze (7) und darauf angeordnet eine Abdeckschmelze (8) enthält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verfahrbare Kegeldichtung (15) als Labyrinthdichtung ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Labyrinthdichtung als Lamellendichtung (15c) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konvektionssperre (30) als tellerförmiger Wärmestrahlungsempfänger ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungskegel (15a) der verfahrbaren Kegeldichtung (15) durch einen Hartanschlag (17) an der unteren Stirnfläche der Ziehwelle (9) betätigbar und durch Gewichtslast (16, 33) verschließbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1,4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß am oberen Rand des Dichtungskegelgehäuses (15b) radial ausschwenkbare Klinken (34) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Dampfdruckquelle (19) als eine im oberen Teil des domförmigen Aufsatzteils (13) innen umlaufende Rinne und thermisch isoliert zur die Ziehwelle (9) umschließenden Kegeldichtung (15) ausgebildet ist und das domförmige Aufsatzteil (13) außen in Höhe der Rinne ein Radiatorprofil (21) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verschluß des domförmigen Aufsatzteils (13) vom übrigen Raum des Züchtungsgefäßes (2) zwei ringförmige, parallel angeordnete, optisch polierte und durch einen schmalen Zwischenraum mit Gaszutritt voneinander distanzierte Kieselglasplatten (26a, 26b) angeordnet sind, deren Durchmesser dem domförmigen Aufsatzteil (13) und dem Züchtungsgefäß (2) angepaßt sind und an die obere Kieselglassichtscheibe (26a) ein Kieselglasstab (29) durch den Hochdruckbehälter (1) herangeführt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ziehwelle (9) innerhalb des Hochdruckbehälters (1) an ihrer oberen Stirnfläche mit einer Kupplungshülse (11) aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff fest verbunden und deren überstehender Teil stirnseitig an einer metallischen Spindelkupplung (40) der durch den Hochdruckbehälter (1) ragenden Maschinenziehwelle (12) fest eingespannt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der überstehende Teil der Kupplungshülse (11) mittels koaxialer Schlitzungen in radial wirkende elastische Biegeelemente (39) aufgeteilt ist.