DE19922736A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Einkristalls - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines EinkristallsInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft die Herstellung eines Verbindungshalbleiter-Einkristalls nach der vertikalen Bridgeman-Methode, bei der eine Eintiefung in der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze verbessert ist und mit der eine stabile Ausbeute an einkristallinem Wachstum erhalten werden kann. Dazu ist der Teil (6a) der Heizvorrichtung (6) zum Kontrollieren der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze, die den Tiegel (7) umgibt, zum Abführen der Wärme des Tiegels (7) in radialer Richtung nach außen in Umfangsrichtung so ausgebildet, daß die Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze sattelförmig wird.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum Herstellen eines Verbindungshalbleiter-
Einkristalls nach der vertikalen Bridgeman-Methode des Züch
tens eines Einkristalls durch graduelles Verfestigen einer
Halbleiterschmelze vom unteren Teil zum oberen Teil eines
Tiegels.
In den letzten Jahren wurde dem vertikalen Bridgeman-
Verfahren als Verfahren zum Erhalten von großen GaAs-
Kristallen mit Durchmessern über 76,2 mm (3 Zoll) und gerin
ger Versetzungsdichte vermehrt Aufmerksamkeit geschenkt. Beim
vertikalen Bridgeman-Verfahren wird ein Tiegel für das Mate
rial und einen Kristallkeim innerhalb der Heizelemente eines
vertikalen elektrischen Ofens angeordnet und das Material im
oberen Teil aufgeschmolzen. Danach wird der Keim in die
Schmelze getaucht und vom unteren Teil zum oberen Teil des
Tiegels ein Einkristall gezogen, das heißt vom unteren Teil
auf Seiten des Kristallkeims zum oberen Teil.
Das Verfahren zum Züchten eines Kristalls durch Bewe
gen des Tiegels und der Heizvorrichtung relativ zueinander
wird VB-Verfahren (vertikales Bridgeman-Verfahren) genannt.
Ein Verfahren zum Züchten eines Kristalls durch Vorgeben ei
nes Temperaturgradienten, bei dem die Temperatur im oberen
Teil hoch ist und im unteren Teil niedriger, und des Verrin
gerns der Temperatur insgesamt, während der Temperaturgra
dient aufrecht erhalten wird, wird VGF-Verfahren (vertikales
Gradientenabkühlen) genannt.
Beim Züchten eines GaAs-Einkristalls läßt man B2O3
auf der Oberfläche des Materials schwimmen, um eine Dissozia
tion des As zu verhindern, oder es wird der ganze Tiegel in
einer Quarzampulle eingeschlossen und der Einkristall gezüch
tet, während der Druck in der Ampulle auf 1 Bar (1 atm) ge
halten wird, dem Dissoziationsdruck von As in GaAs.
Als Heizvorrichtung für den Teil, der die Grenzfläche
zwischen Festkörper und Flüssigkeit steuert, wird bisher im
mer eine Heizvorrichtung verwendet, die ohne jeden Spalt in
Umfangsrichtung kontinuierlich verläuft, das heißt eine Heiz
vorrichtung mit einem kreisförmigen Querschnitt, und zwar aus
folgendem Grund: Wenn die Temperatur in Umfangsrichtung vari
iert, wird die Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze
flach. Die elektrischen Eigenschaften in der Ebene eines Wa
fers, der aus dem Kristall geschnitten wird, ändern sich da
her möglicherweise stark.
Bei eingehenden Studien der Erfinder der vorliegenden
Erfindung hat sich jedoch gezeigt, daß, wenn eine runde Heiz
vorrichtung verwendet wird, die Grenzfläche zwischen Festkör
per und Schmelze insgesamt eingetieft ist, und daß ein Nach
teil darin besteht, daß die Ausbeute an Einkristallwachstum
gering ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Einkri
stalls nach der vertikalen Bridgeman-Methode zu schaffen, bei
dem bzw. bei der sich das obige Problem der eingetieften
Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze nicht stellt und
bei dem bzw. bei der eine sichere Ausbeute an Einkristallen
erhalten werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß wie folgt gelöst.
(1) Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Ver
bindungshalbleiter-Einkristalls nach der vertikalen Bridge
man-Methode zum Züchten eines Einkristalls durch Anordnen
eines Tiegels im Inneren einer Heizvorrichtung eines vertika
len elektrischen Ofens und dem graduellen Verfestigen der
Halbleiterschmelze vom unteren Teil zum oberen Teil des Tie
gels geschaffen, bei dem ein Teil zur Abgabe der Wärme des
Tiegels in radialer Richtung nach außen wenigstens teilweise
in Umfangsrichtung des Teiles der Heizvorrichtung zum Kon
trollieren der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze
in der Heizvorrichtung, die den Tiegel umgibt, ausgebildet
wird, und die Halbleiterschmelze wird graduell vom unteren
Teil zum oberen Teil des Tiegels verfestigt, während die Wär
me des Tiegels nicht nur in vertikaler Richtung, sondern auch
in radialer Richtung nach außen abgeführt wird, um so einen
Einkristall zu züchten.
Das vertikale Bridgeman-Verfahren beinhaltet das ver
tikale Gradientenabkühlverfahren (VGF-Verfahren) des Züchtens
eines Kristalls nur durch Temperaturabnahme, das vertikale
Bridgeman-Verfahren (VB-Verfahren) des Züchtens eines Kri
stalls durch relatives Absenken eines Ziehbehälters, das Ver
fahren zum Steuern des As-Drucks und das Verfahren zum Ver
hindern des Verdampfens von As durch Abdecken oder Oberfläche
der Schmelze mit B2O3.
Wenn die Wärme nicht nur in vertikaler Richtung, son
dern auch seitlich, das heißt in radialer Richtung (Umfangs
richtung) nach außen abfließen kann, schreitet die Grenzflä
che des Teiles, der in Umfangsrichtung abkühlt, voran, und
die Grenzfläche des Teils, der der Heizvorrichtung gegenüber
liegt, wird verzögert. Wenn die Form der Grenzfläche zwischen
Festkörper und Schmelze in Wachstumsrichtung betrachtet wird,
liegt ein Bereich mit eingetiefter Vorderseite und ein Be
reich mit vorstehender Vorderseite an der Grenzfläche zwi
schen Festkörper und Schmelze gemischt vor. In dieser Form
treten nicht leicht Kristalldefekte auf, und die Ausbeute an
Einkristallen nimmt im Vergleich zu dem Fall, daß die Vorder
seite als Ganzes eingetieft ist, stark zu.
(2) Es wird auch ein Verfahren zum Herstellen eines
Verbindungshalbleiter-Einkristalls nach der vertikalen Brid
geman-Methode zum Züchten eines Einkristalls durch Anordnen
eines Tiegels im Inneren der Heizvorrichtung eines vertikalen
elektrischen Ofens und dem graduellen Verfestigen der Halb
leiterschmelze vom unteren Teil zum oberen Teil des Tiegels
geschaffen, bei dem ein Teil zur Abgabe der Wärme des Tiegels
in radialer Richtung nach außen wenigstens teilweise in Um
fangsrichtung des Teiles der Heizvorrichtung zum Kontrollie
ren der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze in der
Heizvorrichtung, die den Tiegel umgibt, ausgebildet wird, und
die Halbleiterschmelze wird graduell vom unteren Teil zum
oberen Teil des Tiegels verfestigt, während die Grenzfläche
zwischen Festkörper und Schmelze sattelförmig gehalten wird.
Wenn die Grenzfläche sattelförmig ausgebildet wird,
liegt bei einer Betrachtung in Wachstumsrichtung ein Bereich
Teil mit eingetiefter Vorderseite und ein Bereich mit vorste
hender Vorderseite an der Grenzfläche zwischen Festkörper und
Schmelze gemischt vor. In dieser Form treten nicht leicht
Kristalldefekte auf, und die Ausbeute an gewachsenen Einkri
stallen nimmt im Vergleich zu dem Fall, daß die Vorderseite
als Ganzes eingetieft ist, stark zu.
Eine solche sattelförmige Grenzfläche kann dadurch
erhalten werden, daß ein Teil für die Abgabe der Wärme des
Tiegels in radialer Richtung zur Außenseite wenigstens teil
weise in Umfangsrichtung des Teiles der Heizvorrichtung zum
Kontrollieren der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmel
ze in der den Tiegel umgebenden Heizvorrichtung entsprechend
ausgebildet wird. Das heißt, daß dadurch, daß es ermöglicht
wird, daß die Wärme des Tiegels nicht nur in vertikaler Rich
tung, sondern auch in Umfangsrichtung (seitlich) abfließt,
die Grenzfläche des Teils, der in Umfangsrichtung gekühlt
wird, vorangeht und die Grenzfläche des Teils, der der Heiz
vorrichtung gegenüberliegt, verzögert wird, so daß die sat
telförmige Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze, wie
sie in der Fig. 1 gezeigt ist, realisiert werden kann.
(3) Bei jedem dieser Verfahren werden die Teile für
die Abfuhr der Wärme des Tiegels in radialer Richtung nach
außen vorzugsweise an zwei Stellen in Umfangsrichtung in dem
Teil der Heizvorrichtung zum Kontrollieren der Grenzfläche
zwischen Festkörper und Schmelze in Richtung des Durchmessers
symmetrisch vorgesehen. Die Grenzfläche kann damit in einer
symmetrischen Sattelform ausgebildet werden.
(4) Bei jedem dieser Verfahren wird der Teil für die
Abgabe der Wärme des Tiegels in radialer Richtung nach außen
durch Lücken in den geteilten Hälften des Teiles der Heizvor
richtung, der die Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmel
ze kontrolliert, gebildet. Durch diese einfache Ausgestaltung
wird die Grenzfläche sattelförmig ausgebildet. Die Lücken in
den Hälften der Heizvorrichtung in Umfangsrichtung sind mit
anderen Worten die Teile, in denen in Umfangsrichtung keine
Heizvorrichtung vorhanden ist, und die Wärme des Tiegels wird
von den Teilen abgegeben, an denen sich keine Heizvorrichtung
befindet. Durch Aufteilen der Heizvorrichtungsteile in Hälf
ten liegen die Teile für die Abgabe der Wärme des Tiegels in
radialer Richtung nach außen in Richtung des Durchmessers an
symmetrischen Stellen, so daß die Grenzfläche eine symmetri
sche Sattelform erhält.
(5) Bei jedem der obigen Verfahren zum Herstellen ei
nes Einkristalls kann der Teil für die Abgabe der Wärme des
Tiegels in radialer Richtung nach außen auch durch eine Kühl
vorrichtung realisiert werden, die an einem Teil des Umfangs
der Heizvorrichtung zum Kontrollieren der Grenzfläche zwi
schen Festkörper und Schmelze vorgesehen ist.
(6) Es wird auch eine Vorrichtung zum Herstellen ei
nes Verbindungshalbleiter-Einkristalls nach der vertikalen
Bridgeman-Methode zum Züchten eines Einkristalls durch Anord
nen eines Tiegels im Inneren der Heizvorrichtung eines verti
kalen elektrischen Ofens und dem graduellen Verfestigen der
Halbleiterschmelze vom unteren Teil zum oberen Teil des Tie
gels geschaffen, wobei wenigstens der Teil der Heizvorrich
tung zum Kontrollieren der Grenzfläche zwischen Festkörper
und Schmelze, der den Tiegel umgibt, vertikal in eine Anzahl
von Teilen unterteilt ist und in Umfangsrichtung der Heizvor
richtung Lücken für die Abgabe der Wärme des Tiegels in ra
dialer Richtung nach außen ausgebildet sind, damit die Wärme
des Tiegels nicht nur in vertikaler Richtung, sondern auch in
radialer Richtung durch die Lücken nach außen abgeführt wird.
Die Lücken in Umfangsrichtung der Heizvorrichtung
sind mit anderen Worten die Abschnitte, an denen in Umfangs
richtung keine Heizvorrichtung vorhanden ist, und die Wärme
des Tiegels wird von den Abschnitten abgegeben, an denen sich
keine Heizvorrichtung befindet. Folglich fließt die Wärme des
Tiegels nicht nur in vertikaler Richtung, sondern auch in
seitlicher Richtung ab, das heißt in radialer Richtung
(Umfangsrichtung) nach außen. Die Grenzfläche des Teils, der
in Umfangsrichtung gekühlt wird, schreitet daher voran, und
die Grenzfläche des Teils, der der Heizvorrichtung gegenüber
liegt, wird verzögert. Im Ergebnis liegt in der Form der
Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze, gesehen in
Wachstumsrichtung, ein Bereich mit eingetiefter Vorderseite
und ein Bereich mit vorstehender Vorderseite an der Grenzflä
che zwischen Festkörper und Schmelze gemischt vor. In dieser
Form treten nicht leicht Kristalldefekte auf, und die Ausbeu
te an Einkristallen nimmt im Vergleich zu dem Fall, daß die
Vorderseite als Ganzes eingetieft ist, stark zu.
(7) Bei dieser Vorrichtung ist der Teil der Heizvor
richtung zum Kontrollieren der Grenzfläche zwischen Festkör
per und Schmelze vorzugsweise vertikal in zwei Teile geteilt.
Durch diese einfache Ausgestaltung kann die Grenzfläche sat
telförmig ausgebildet werden. Die Lücken in den Hälften der
Heizvorrichtung in Umfangsrichtung sind mit anderen Worten
die Abschnitte, an denen in Umfangsrichtung keine Heizvor
richtung vorhanden ist. Die Wärme des Tiegels wird von den
Abschnitten abgegeben, an denen sich keine Heizvorrichtung
befindet. Durch Aufteilen der Heizvorrichtungsteile in zwei
Hälften liegen die Abschnitte für die Abgabe der Wärme des
Tiegels in radialer Richtung nach außen in Richtung des
Durchmessers an symmetrischen Stellen, so daß die Grenzfläche
eine symmetrische Sattelform erhält.
(8) Es wird auch eine Vorrichtung zum Herstellen ei
nes Verbindungshalbleiter-Einkristalls nach der vertikalen
Bridgeman-Methode zum Züchten eines Einkristalls durch Anord
nen eines Tiegels im Inneren der Heizvorrichtung eines verti
kalen elektrischen Ofens und dem graduellen Verfestigen der
Halbleiterschmelze vom unteren Teil zum oberen Teil des Tie
gels geschaffen, wobei an Stellen, die in Richtung des Durch
messers symmetrisch liegen, wenigstens an einem Teil der Um
fangsrichtung des Teiles der Heizvorrichtung zum Kontrollie
ren der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze, der den
Tiegel umgibt, eine Kühlvorrichtung zum Abführen der Wärme
des Tiegels in radialer Richtung nach außen vorgesehen ist,
damit die Wärme des Tiegels nicht nur in vertikaler Richtung,
sondern auch in radialer Richtung nach außen abgeführt wird.
Durch diese Kühlvorrichtung kann die Wärme des Tie
gels nicht nur in vertikaler Richtung, sondern auch in seit
licher Richtung abfließen, das heißt in radialer Richtung
(Umfangsrichtung) nach außen. Die Grenzfläche des Teils, der
in Umfangsrichtung gekühlt wird, schreitet daher voran, und
die Grenzfläche des Teils, der der Heizvorrichtung gegenüber
liegt, wird verzögert. Im Ergebnis liegt in der Form der
Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze, gesehen in
Wachstumsrichtung, ein Bereich mit eingetiefter Vorderseite
und ein Bereich mit vorstehender Vorderseite an der Grenzflä
che zwischen Festkörper und Schmelze gemischt vor. In dieser
Form treten nicht leicht Kristalldefekte auf, und die Ausbeu
te an Einkristallwachstum nimmt im Vergleich zu dem Fall, daß
die Vorderseite als Ganzes eingetieft ist, stark zu. Die
Kühlvorrichtung kann als Abschnitt ausgebildet werden, in dem
ein wassergekühltes Rohr angeordnet ist, oder als Abschnitt,
an dem Isoliermaterial entfernt wurde.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgen
den anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der aufgeteilten
Heizvorrichtung bei einer ersten Ausführungsform einer Vor
richtung zum Züchten eines Einkristalls und die Form der
Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze;
Fig. 2A einen vertikalen Schnitt durch die Vorrich
tung der Fig. 1; und
Fig. 2B einen Querschnitt durch die Vorrichtung der
Fig. 1 längs der Linie B-B in der Fig. 2A.
Im folgenden wird das Züchten eines undotierten GaAs-
Einkristalls mit einem Durchmesser von 76,2 mm (3 Zoll) nach
dem VGF-Verfahren (vertikales Gradientenabkühlen) mit einem
VGF-Ofen wie in den Fig. 2A und 2B gezeigt als Ausführungs
beispiel beschrieben.
Am unteren Ende eines Tiegels 7 aus PBN ist ein Keim
kristall 3 angeordnet. Der Tiegel 7 enthält als polykri
stallines Material einer Verbindung der Gruppen III-V einen
GaAs-Polykristall. Der Tiegel 7 befindet sich auf einer Tie
gelhalterung in einer Kammer 5 im Inneren der Heizvorrichtung
6 eines vertikalen elektrischen Ofens.
Die Heizvorrichtung 6 des vertikalen elektrischen
Ofens besteht aus einer zylindrischen Heizvorrichtung außer
halb des Tiegels 7, die den Tiegel 7 umgibt. Die Heizvorrich
tung 6 weist in vertikaler Richtung drei Stufen auf, um eine
vorgegebene Temperaturverteilung mit einem Temperaturgradien
ten zu erzeugen, bei dem die Temperatur im unteren Teil nied
riger ist als im oberen Teil. Die Heizvorrichtung 6 besteht
somit aus einer Heizvorrichtung 6a zum Kontrollieren der Po
sition der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze, die
in der Mitte angeordnet ist und die als der Teil der Heizvor
richtung zum Kontrollieren der Grenzfläche zwischen Festkör
per und Schmelze dient und die die Grenzflächenheizeinheit
bildet; einer Heizvorrichtung 6b zum Erzeugen der Schmelze,
die im oberen Teil angeordnet ist und die eine Hochtempera
turheizung darstellt; und einer Heizvorrichtung 6c, die im
unteren Teil angeordnet ist und eine Niedertemperaturheizung
darstellt.
In der Heizvorrichtung 6 ist die Heizvorrichtung 6a
zum Kontrollieren der Position der Grenzfläche zwischen Fest
körper und Schmelze, die sich als der Teil der Heizvorrich
tung zum Kontrollieren der Grenzfläche zwischen Festkörper
und Schmelze in der Mitte befindet, vertikal in zwei Teile
geteilt, das heißt in einen rechten und einen linken Teil,
die getrennte Abschnitte 61 und 62 bilden. Zwischen den ge
trennten Abschnitten 61 und 62 sind Lücken 63 zum Abführen
der Wärme des Tiegels in radialer Richtung nach außen ausge
bildet. Die Wärme des Tiegels 7 kann daher nicht nur in ver
tikaler Richtung, sondern auch in radialer Richtung durch die
Lücken 63 nach außen abfließen, wie es durch die Pfeile in
der Fig. 1 angezeigt ist.
Der Kristall wird derart gezüchtet, daß der GaAs-
Polykristall im Tiegel 7 von der Heizvorrichtung 6 aufge
schmolzen wird, um eine GaAs-Schmelze 2 zu bilden, und die
Heizvorrichtung 6 wird graduell abgekühlt, um einen GaAs-
Kristall 1 als Einkristall einer Verbindung aus Elementen der
Gruppen III-V, der die gleiche Orientierung wie der Keimkri
stall 3 hat, im Tiegel 7 von unten nach oben auszubilden. Auf
die GaAs-Schmelze 2 wird als flüssiges Abschlußmittel 4 B2O3
gegeben, um eine Dissoziation der GaAs-Schmelze 2 zu verhin
dern.
Wie erwähnt, ist die Heizvorrichtung 6a zum Kontrol
lieren der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze ver
tikal geteilt, um die vertikalen Lücken 63 als diejenigen
Abschnitte auszubilden, in denen sich in Umfangsrichtung der
Heizvorrichtung 6a keine Heizvorrichtung befindet, und die
Wärme kann durch die Lücken 63 (zwei Stellen, die in Richtung
des Durchmessers symmetrisch liegen) entweichen oder abge
führt werden. Auf diese Weise kann die Wärme nicht nur in der
Richtung von oben nach unten abfließen, sondern auch in Um
fangsrichtung (in seitlicher Richtung).
Wenn der GaAs-Einkristall mit der Vorrichtung dieses
Aufbaus gezüchtet wird, schreitet die Grenzfläche des Berei
ches, der in Umfangsrichtung gekühlt wird, voran, und die
Grenzfläche des Bereiches, der der Heizvorrichtung gegenüber
liegt, bleibt zurück. Folglich hat die Grenzfläche zwischen
Festkörper und Schmelze eine Sattelform, wie es in der Fig. 1
gezeigt ist. Das heißt, daß bei der Form der Fig. 1 eine ein
getiefte Vorderseite, die bei A-E-C gezeigt ist, und eine
vorstehende Vorderseite, die bei B-E-D gezeigt ist, in Rich
tungen ausgebildet werden, die sich senkrecht schneiden.
Wenn eine Grenzfläche mit einer solchen Sattelform in
Wachstumsrichtung (in der Fig. 1 von oben) betrachtet wird,
liegen die Bereiche mit eingetiefter Vorderseite und die Be
reiche mit vorstehender Vorderseite an der Grenzfläche zwi
schen Festkörper und Schmelze gemischt vor. In dieser Form
treten weniger Kristalldefekte auf, und die Ausbeute an Ein
kristallwachstum nimmt zumindest im Vergleich zu dem Fall,
daß die Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze insge
samt eine eingetiefte Vorderseite hat, erheblich zu.
Es wurde überraschenderweise festgestellt, daß das
Ausmaß der Eintiefung des am meisten eingetieften Bereichs
(des Bereichs E in der Fig. 1) im Vergleich zu dem Fall, daß
eine runde Heizvorrichtung verwendet wird, gering wird, wenn
die Grenzfläche mittels der in Hälften aufgeteilten Heizvor
richtung 6 in Sattelform ausgebildet wird. Das heißt, daß
Variationen in den elektrischen Eigenschaften einer Ebene,
wenn ein Wafer ausgebildet wird, im Vergleich zu einem Kri
stall, der mit einem herkömmlichen runden Heizvorrichtung
erzeugt wurde, klein werden.
Der optimale Wert der Breite des Abschnittes, an dem
sich in Umfangsrichtung keine Heizvorrichtung befindet, das
heißt die Breite der Lücke 63 zwischen den getrennten Teilen
61 und 62, läßt sich nicht leicht als numerische Zahl aus
drücken. Wenn die Breite zu groß ist, wird die Eintiefung und
der Vorsprung der Sattelform zu groß. Wenn sie zu klein ist,
kann keine Sattelform erhalten werden. Der optimale Wert der
Lücke 63 ändert sich mit der Kristallgröße, das heißt der
Größe der Heizvorrichtung.
In jedem Fall wird, wenn die in Hälften aufgeteilte
Heizvorrichtung 6a verwendet wird, die Vertiefung in der
Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze verbessert.
Folglich lassen sich Vorteile wie eine erheblich verbesserte
Ausbeute an einkristallinem Wachstum und eine gleichmäßige
Verteilung der elektrischen Eigenschaften an der Oberfläche
der herausgeschnittenen Wafer erhalten.
Anhand der Fig. 2A und 2B wird eine konkrete Ausfüh
rungsform näher beschrieben. Der Keimkristall 3, 3000 g des
GaAs-Materials, ein Dotierstoff Si und 200 g B2O3 4 werden in
einen PBN-Tiegel 7 mit einem Innendurchmesser von 80 mm gege
ben. Der Tiegel 7 wird in den elektrischen Ofen gesetzt. Die
Heizvorrichtung 6 hat einen Innendurchmesser von 120 mm und
ist in Hälften aufgeteilt. Die Breite der Lücke 63 ohne Heiz
vorrichtung beträgt etwa 20 mm.
Nachdem das atmosphärische Gas in der Kammer 5 durch
N2-Gas ersetzt wurde, wurde die Temperatur erhöht. Der Tempe
raturgradient wurde auf 4°C/cm eingestellt, das Material ge
schmolzen und der Keim in die Schmelze eingetaucht. Danach
wurde die Temperatur mit 1°C/h abgesenkt, um den Kristall zu
züchten. Nach dem Ende des Züchtens wurde der Kristall mit 25
bis 100°C/h auf Raumtemperatur gekühlt und dann herausgenom
men.
Nach dem zehnmaligen Ausführen des Züchtvorganges auf
ähnliche Weise erreichte die Ausbeute an einkristallinem
Wachstum 90%. Als jeder dieser Einkristalle vertikal ge
schnitten und die Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmel
ze durch Striation untersucht wurde, stellte sich heraus, daß
die Grenzfläche eine Sattelform hatte, wie es in der Fig. 1
gezeigt ist.
Als aus dem Kristall ein Wafer geschnitten und die
Ladungsträgerkonzentration in der Ebene gemessen wurde, zeig
te sich, daß die Ladungsträgerkonzentration 1,0 × 1018 cm-3
betrug und die Variation innerhalb von ±3% lag. Dieser Wert
ist besser als im folgenden Vergleichsbeispiel.
Unter den gleichen Bedingungen wie oben mit der Aus
nahme, daß eine runde Heizvorrichtung verwendet wurde, wurde
ein Vergleichskristall gezogen. Die Ausbeute an einkristalli
nem Wachstum war bei einer zehnmal wiederholten Ausführung
des Ziehvorganges 60%. Bei der Untersuchung der Grenzfläche
zwischen Festkörper und Schmelze wurde festgestellt, daß die
eingetiefte Vorderseite insgesamt groß war. Es stellte sich
auch heraus, daß von dem Teil des Meniskus, der mit dem Tie
gel in Kontakt stand, viele Defekte ausgehen.
Als aus dem Kristall ein Wafer geschnitten und die
Ladungsträgerkonzentration in der Ebene gemessen wurde, zeig
te sich, daß die Ladungsträgerkonzentration 1,0 × 1018 cm-3
betrug und die Variation innerhalb von ±10% lag.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorste
hende Ausführungsform beschränkt, sondern kann wie folgt mo
difiziert werden.
(1) Neben GaAs können als Material für den Kristall
alle Verbindungshalbleiter verwendet werden. Beispiele für
Halbleitermaterialien, die bei der Erfindung verwendet werden
können, sind Verbindungen der Gruppen III-V wie GaAs, InAs,
GaSb, InSb, GaP und InP, Verbindungen der Gruppen II-VI wie
CdTe, ZnSe, ZnS und HgTe, Elemente der Gruppe IV wie Si und
Ge und Mischkristalle aus einer oder mehreren Arten der obi
gen Elemente.
(2) Es kann sowohl das VB-Verfahren (das vertikale
Bridgeman-Verfahren) als auch das VGF-Verfahren (das vertika
le Gradientenabkühlverfahren) angewendet werden.
(3) Auch wenn die Anzahl der vertikalen Unterteilun
gen der Heizvorrichtung, das heißt die Aufteilung der Heiz
vorrichtung in Umfangsrichtung in zwei Teile erfolgt ist,
wird eine Aufteilung in bis zu vier Teile als effektiv zur
Ausbildung der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze
in Sattelform betrachtet. Eine stärkere Unterteilung der
Heizvorrichtung ist unter dem Gesichtspunkt des Ausbildens
der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze in Sattel
form nicht erforderlich.
(4) Da die Heizvorrichtung 6 in Hälften unterteilt
ist, um die Wärme des Tiegels in den Abschnittes in Umfangs
richtung in radialer Richtung nach außen abzuführen, in denen
sich keine Heizvorrichtung befindet (die den Lücken 63 ent
sprechenden Abschnitte), kann die Wärme auch dadurch in Um
fangsrichtung (seitlich) abgeführt werden, daß eine runde
Heizvorrichtung verwendet und eine Kühlvorrichtung (zum Bei
spiel ein wassergekühltes Rohr, eine teilweise entfernte Wär
meisolierung oder dergleichen) an in Umfangsrichtung symme
trischen Stellen vorgesehen wird, mit der die Wärme auch in
Umfangsrichtung (seitlich) abgeführt werden kann. Diese Mög
lichkeit wird von der Erfindung auch erfaßt.
(5) Da sich wie erwähnt der optimale Wert für die
Breite des Abschnittes in Umfangsrichtung ohne Heizvorrich
tung (der Abschnitt mit der Lücke 63 oder der Abschnitt mit
der Kühlvorrichtung) mit der Größe des zu erhaltenden Einkri
stalls (dem Durchmesser der Heizvorrichtung 6) und dem Mate
rial und der Form des Isoliermaterials, wenn als Mittel zur
Kühlung ein Teil des Isoliermaterials am Umfang der Heizvor
richtung entfernt wird, ändert, kann die Breite nicht ein
heitlich festgelegt werden. In jedem Fall wird jedoch, wenn
die Heizvorrichtung 6a verwendet wird, die in Hälften unter
teilt ist, die eingetiefte Ebene der Grenzfläche zwischen
Festkörper und Schmelze verbessert.
Folglich lassen sich die Vorteile einer erheblich
verbesserten Ausbeute an einkristallinem Wachstum und einer
gleichmäßigen Verteilung der elektrischen Eigenschaften in
der Ebene eines aus dem Kristall herausgeschnittenen Wafers
erhalten.
Erfindungsgemäß lassen sich somit die folgenden Wir
kungen erhalten.
(1) Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Her
stellen eines Einkristalls wird ein Teil zum Abführen der
Wärme des Tiegels in radialer Richtung nach außen zumindest
teilweise in Umfangsrichtung des Teiles der Heizvorrichtung
zum Kontrollieren der Grenzfläche zwischen Festkörper und
Schmelze, die den Tiegel umgibt, vorgesehen, und der Einkri
stall wird gezüchtet, während die Wärme des Tiegels nicht nur
in vertikaler Richtung, sonder auch in radialer Richtung nach
außen abgeführt wird. Damit liegt die Grenzfläche des Berei
ches, der in Umfangsrichtung gekühlt wird, vorn und die
Grenzfläche des Bereiches, der der Heizvorrichtung gegenüber
liegt, hinten. Bei der Betrachtung der Form der Grenzfläche
zwischen Festkörper und Schmelze in Wachstumsrichtung liegen
daher in der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze die
Bereiche mit eingetiefter Vorderseite und mit vorstehender
Vorderseite gemischt vor. In dieser Form der Grenzfläche zwi
schen Festkörper und Schmelze treten weniger Kristalldefekte
auf, und die Ausbeute an einkristallinem Wachstum nimmt stark
zu, verglichen mit dem Fall, daß die Grenzfläche insgesamt
eingetieft ist. Die Verteilung der elektrischen Eigenschaften
in der Ebene von aus dem Kristall geschnittenen Wafern ist
gleichmäßig .
(2) Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der
Einkristall gezüchtet, während die Grenzfläche zwischen Fest
körper und Schmelze sattelförmig gehalten wird. Bei der Be
trachtung der Form der Grenzfläche zwischen Festkörper und
Schmelze in Wachstumsrichtung liegen daher in der Grenzfläche
zwischen Festkörper und Schmelze die Bereiche mit eingetief
ter Vorderseite und mit vorstehender Vorderseite gemischt
vor. In dieser Form der Grenzfläche zwischen Festkörper und
Schmelze treten weniger Kristalldefekte auf, und die Ausbeute
an einkristallinem Wachstum nimmt stark zu, verglichen mit
dem Fall, daß die Grenzfläche insgesamt eingetieft ist. Die
Verteilung der elektrischen Eigenschaften in der Ebene von
aus dem Kristall geschnittenen Wafern ist gleichmäßig.
(3) Bei der Vorrichtung zur Herstellung des Einkri
stalls ist wenigstens der Teil der Heizvorrichtung zum Kon
trollieren der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze
vertikal um den Tiegel herum in eine Anzahl von Teilen unter
teilt, wobei die Lücken zum Abführen der Wärme des Tiegels in
radialer Richtung nach außen in der Heizvorrichtung in Um
fangsrichtung ausgebildet sind und die Wärme des Tiegels
nicht nur in vertikaler Richtung, sondern auch von, den Lücken
in radialer Richtung nach außen abströmen kann. Folglich geht
die Grenzfläche des Bereiches, der in Umfangsrichtung gekühlt
wird, voran, und die Grenzfläche des Bereiches, der der Heiz
vorrichtung gegenüberliegt, bleibt zurück. Im Ergebnis hat
die Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze eine Form,
bei der die Bereiche mit eingetiefter Vorderseite und die
Bereiche mit vorstehender Vorderseite gemischt vorliegen,
gesehen in Wachstumsrichtung. Bei dieser Form der Grenzfläche
zwischen Festkörper und Schmelze treten weniger Kristallde
fekte auf, und die Ausbeute an einkristallinem Wachstum nimmt
stark zu, verglichen mit dem Fall, daß die Grenzfläche insge
samt eingetieft ist. Die Verteilung der elektrischen Eigen
schaften in der Ebene von aus dem Kristall geschnittenen Wa
fern ist gleichmäßig.
Claims (9)
1. Verfahren zum Herstellen eines Verbindungshalbleiter-
Einkristalls nach der vertikalen Bridgeman-Methode des Züch
tens eines Einkristalls (1) durch Anordnen eines Tiegels (7)
in der Heizvorrichtung (6) eines vertikalen elektrischen
Ofens und graduelles Verfestigen einer Halbleiterschmelze (2)
vom unteren Teil zum oberen Teil des Tiegels, dadurch gekenn
zeichnet, daß wenigstens ein Abschnitt (63) des Teils (6a)
der Heizvorrichtung zum Kontrollieren der Grenzfläche zwi
schen Festkörper und Schmelze, die den Tiegel (7) umgibt, zum
Abführen der Wärme des Tiegels (7) in radialer Richtung nach
außen in Umfangsrichtung ausgebildet wird, so daß die Halb
leiterschmelze (2) vom unteren Teil zum oberen Teil des Tie
gels (7) graduell verfestigt wird, während die Wärme des Tie
gels (7) nicht nur in vertikaler Richtung, sondern auch in
radialer Richtung nach außen abgeführt wird.
2. Verfahren zum Herstellen eines Verbindungshalbleiter-
Einkristalls nach der vertikalen Bridgeman-Methode des Züch
tens eines Einkristalls (1) durch Anordnen eines Tiegels (7)
in der Heizvorrichtung (6) eines vertikalen elektrischen
Ofens und graduelles Verfestigen einer Halbleiterschmelze (2)
vom unteren Teil zum oberen Teil des Tiegels, dadurch gekenn
zeichnet, daß wenigstens ein Abschnitt (63) des Teils (6a)
der Heizvorrichtung zum Kontrollieren der Grenzfläche zwi
schen Festkörper und Schmelze, die den Tiegel (7) umgibt, zum
Abführen der Wärme des Tiegels (7) in radialer Richtung nach
außen in Umfangsrichtung ausgebildet wird, so daß die Halb
leiterschmelze (2) vom unteren Teil zum oberen Teil des Tie
gels (7) graduell verfestigt wird, während die Grenzfläche
zwischen Festkörper und Schmelze sattelförmig gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Abschnitte (63) zum Abführen der Wärme des
Tiegels (7) in radialer Richtung nach außen an zwei Stellen
in Umfangsrichtung an dem Teil (6a) der Heizvorrichtung (6)
zum Kontrollieren der Grenzfläche zwischen Festkörper und
Schmelze vorgesehen sind, die in Richtung des Durchmessers
symmetrisch liegen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, da
durch gekennzeichnet, daß der Abschnitt zum Abführen der Wär
me des Tiegels (7) in radialer Richtung nach außen eine Lücke
(63) zwischen den beiden getrennten Hälften des Teiles (6a)
der Heizvorrichtung (6) zum Kontrollieren der Grenzfläche
zwischen Festkörper und Schmelze ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, da
durch gekennzeichnet, daß der Abschnitt zum Abführen der Wär
me des Tiegels (7) in radialer Richtung nach außen eine Kühl
vorrichtung an einem Teil des Umfangs des Teiles (6a) der
Heizvorrichtung (6) zum Kontrollieren der Grenzfläche zwi
schen Festkörper und Schmelze ist.
6. Vorrichtung zum Herstellen eines Verbindungshalblei
ter-Einkristalls nach der vertikalen Bridgeman-Methode des
Züchtens eines Einkristalls (1) durch Anordnen eines Tiegels
(7) in der Heizvorrichtung (6) eines vertikalen elektrischen
Ofens und graduelles Verfestigen einer Halbleiterschmelze (2)
vom unteren Teil zum oberen Teil des Tiegels, dadurch gekenn
zeichnet, daß wenigstens ein Abschnitt (63) des Teils (6a)
der Heizvorrichtung zum Kontrollieren der Grenzfläche zwi
schen Festkörper und Schmelze, die den Tiegel (7) umgibt, zum
Abführen der Wärme des Tiegels (7) in radialer Richtung in
Umfangsrichtung nach außen in Umfangsrichtung vertikal in
eine Anzahl von Teilen (61, 62) und Lücken (63) aufgeteilt
ist, so daß die Wärme des Tiegels (7) nicht nur in vertikaler
Richtung, sondern auch durch die Lücken (63) in radialer
Richtung nach außen abgeführt wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Teil (6a) der Heizvorrichtung (6) zum Kontrollieren
der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze vertikal in
zwei Teile (61, 62) aufgeteilt ist.
8. Vorrichtung zum Herstellen eines Verbindungshalblei
ter-Einkristalls nach der vertikalen Bridgeman-Methode des
Züchtens eines Einkristalls (1) durch Anordnen eines Tiegels
(7) in der Heizvorrichtung (6) eines vertikalen elektrischen
Ofens und graduelles Verfestigen einer Halbleiterschmelze (2)
vom unteren Teil zum oberen Teil des Tiegels, dadurch gekenn
zeichnet, daß zum Abführen der Wärme des Tiegels (7) in ra
dialer Richtung nach außen wenigstens an einem Teil des Um
fangs des Teiles (6a) der Heizvorrichtung (6) zum Kontrollie
ren der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze eine
Kühlvorrichtung an Stellen vorgesehen ist, die in Richtung
des Durchmessers symmetrisch liegen, so daß die Wärme des
Tiegels (7) nicht nur in vertikaler Richtung, sondern auch in
radialer Richtung nach außen abgeführt wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühlvorrichtung ein Abschnitt mit einer wassergekühl
ten Leitung oder ein Abschnitt ist, an dem Isoliermaterial
entfernt ist.
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