DE2012454A1

DE2012454A1 - Verfahren zum Herstellen von ver setzungsfreien Halbleitereinknstallen

Info

Publication number: DE2012454A1
Application number: DE19702012454
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr 8551 Pretz feld Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-03-16
Filing date: 1970-03-16
Publication date: 1972-02-17
Also published as: FR2084555A5; BE764332A; CA962559A; GB1285853A; NL7103509A

Description

Verfahren zum Herstellen von versetzungsfreien HaIb-

IeItereinkristallen

Die Erfindung betrifft ein Vorfahren zum Herstellen von versetzungsfreien Halbleitereinkristailstäben, insbesondere Sllieiumeinkristallstäben, mit Durchmessern größer als 40 mm durch tiegelfreies Zonenschmelzen eines senkrechtstehenden, an seinen Enden gehalterten Halbleiterstabes in einem Keziplenten in einer Schutzgasatmosphäre und mit einer den Stab ringförmig umgebenden Induktionsheizspule»

Es Ist bekannt, mit Hilfe von Keimkristallen polykristalline Siliciumstäbe in Einkristalle zu verwandeln, indem man eine Schinelzzone von dem Ende, an dem der Keimkristall angesetzt ist, zu dem anderen Ende des Siliciumstabes wandern läßt« Der Siliciumstab wird hierbei meist senkrechtstehend in zwei Halterungen eingspannt, wobei die eine Halterung während des Zonenschmelzens in Rotation um die Stabachse'versetzt wird, so daß ein symmetrisches Aufwachsen des erstarrenden Materials gewährleistet wird ο _

Einkristalle, die in dieser Weise durch tiegelfroies Zonenschmelzen hergestellt worden sind, zeigen meist noch zahlreiche Versetzungen, Zwillingsbildungen und andere Kristallfehlero -

Die auftretenden Versetzungen können vermindert werden, wenngemäß der DAS 1 Ϊ28 413 ein Keimkristall mit einem wesentlich geringeren Querschnitt als der Siliciumstab angeschmolzen ■ wird und der Siliciumquerschnitt an der Übergangsstelle vom Keimkristall zum Siliciumstab durch zeitweiliges Auseinanderbewegen der Stabenden eingeschnürt wird und von dieser EIn-

VPA 9⁷MQ/0003 Edt/Fl

209808/1S41

BAD ORIGINAL

schmirimguütelle au;j bis aum Erreichen dcü vollen Quer.-xjmiii !;j dec Silieiuinu baboij die Geüchv/indigkeit der Schuol^L'oi^ -tcii^ vermindert; und schließlich die ochme.lz^ono durch den Siliciumstab mit einer Geschwindigkeit kleine-r alo 7 !'!n⁷;.;!!;. hindurchgesogen wird,

Eine weitere Möglichkeit, die Vernetzungen in eine.':; r:unenge^ogenen Kristall herabzusetzen, wird dadurch gegeben, dai3 eine hochgereiiiigte SchutzgasKümo-ohUre, inobeüoiulore V/aouer stoff, verwendet v;ird ~ϊ~Δ ν.:>. lie^inic-nton ein Druck oingoütolli wird, wolchor ^^vinx-or i;.?t" aiii der Atnosphiirendrucl:, Doch treten hier oft durch dao Sch-i+rguö bedingte '.Va^a er?.; toffeinschlihiBe im Krictallmafcerial auf, die die Verv/endungrjfähißlcoit beeinträchtigen, Solciie YTariserüfcoxfschlieren sind koagulierte Leerstellen im Siliciuingit tor, die sich mit Wa es or;.; tuff beladen und bei Verwendung den gefertigten Kristallin;;terials 2UV '.Veiter'/erax'buitiiug su HalbloiterbauelemcK·¹;-^:! die Sperr· eigenschaften von pn-Übergängen eiiieblicli herabsetzen. Bei Yei-.vemU;ng von Argon als Schutzgas bei nonnaloin Druck und darunter macht sich eier in Argon enthaltoiv:. und ni^ht durch

auf die Reinheit Jeü Sinkri;-: fcallrstabec bemerkbar, Außerdem eiio-Btohen bei 7ei .vjnaung von AiV-.-n al:: Schut;--'.ga:; ;■.·": den mit

eloktri.^:-he Über^chlägo, .vulche yieii obonfallü aclr^:(ilich auf .; Krioctll.rualitjlt ü>^:5:; durcri -iä;.· tiegolf roic: Z jnen;j-;::i _o i.zen gewcaiieiirfii kristall insu S'-Hb,:;; uur:v ir._;: ;ü.

Die .iuxV;:^:.;"'Lⁱ, die der vorii-::-.-;;---nrlen Anmeldung c.ugran;V;liegt, besteht .her nichi: ri'.ir in Jer Hoi-u tel Lung von vor^.-'vc^Uiigufreifiju Kvi::talijnH'".<-;.L-LMl, aondr'rn cugloicii a;i'h in a^r Her-HteLlun·; von ver^etcurK-f roieu Kr:h; tal Lrfcüb'-n ;:rl t rulntiv gr;jiiem i:.;·. Lytallqu.-r:-:. hni ti;, d. h., mit Dur chi:ier;nern über 40 mni

Kr itirai L: täbe jnit relativ großem Kri; tallv|uox'.;chni 11 lassen •sich herstellen uuimIi das cogenannto Aufa tauchverfaliren, bc;i dem der uuukrii.italliiiierende Stabteil einen größeren Durchmos-oer als der Schmelazone zugeführte Stabteil ^Vorrafcoütab■

VPA 9. no ü003 209808/1541 - 3 -

BAD ORIGINAL

• aufweist« Eine Abwandlung dieses Verfahrens wird in der DAS 1 218 404 "beschrieben, v/oTdei die Dicke, des aus der Schmelze wieder erstarrenden Stabteils über die lichte AVeite der Heizeinrichtung hinaus durch die unterschiedlichen Geschwind igke it en der Halterungen des Halbleiterstabes vergrößert wird und zusätzlich die sich drehende Halterung des wieder erstarrenden Stabteils relativ zur Heizeinrichtung seitlich verschoben wird. Diese seitliche Verschiebung, auch als Exzentrizität bezeichnet, bewirkt gegenüber dem einfachen Aufstauchverfahren eine Vergleiehmäßigung der Temperatur der Schmelzzonec

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, nämlich versetzungsfreie Kristalle mit großem Kristallquerschnitt herzustellen, wird durch eine sinnvolle Kombination der bekannten Verfahren imd Vorrichtungen gelöst, wobei es von großer Wichtigkeit ist, daß bei diesen kombinierten Verfahren die geeigneten Kristallwaehstumsbedingungen eingestellt werden»

Es wird deshalb erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Zonensehmelzprozeß in einer Argonatraosphäre bei leichtem Überdruck durchgeführt wird, daß als Keimkristall ein Einkristall mit einem wesentlich geringeren Querschnitt als der- Halbleiterstab angeschmolzen wird, wobei der Querschnitt an der Übergangsstelle vom Keimkristall ziim Halbleiterstab durch zeitweiliges Auseinanderbewegen der Stabenden mit einer Geschwindigkeit vom maximal 30 mm/min. urd einer Drehgeschwindigkeit von 10 - 40 TJpM. mit einer Einschnürung versehen wird, daß-'weiterhin zur Ie-.heizung der Schmelz zone' eine einwindige Induktionsheizüpule mit geerdeter lüittelanzapfung verwendet wird, und daß zur Vergrößerung des Durehmessers des auc der Schmelze wieder erstarrenden Halbleiterstabes die sich drehende Halterung des wiedererstarrten Stabteils relativ zur Heizeinrichtung um einen' Betrag ran 6-12 mm seitlich verschoben wird.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, den Druck der Argonatmosphäre auf 0,8 - 1,5 at., vorzugsweise bei Ziehbeginn auf 1,05 at«,.einzustellenc Als Keimkristall wird vorteilhafterweise

ein Zinkristallstab von 4,5 - 5 mm 0 verwendet, v/elcher in (111)-Richtung gezogen ist und eine Fehlorientierung von ca. 1,5° aufweist.

Um die Überschlagsneigung zwischen der Induktionsheizspule und dem Halbleiterstab in der Argonatmosphäre beim tiegelfreien Zonenschmelzen zu vermeiden, wird an der Induktionahoizspule eine geerdete Mittolanzapfung, welche den Stab und den mittleren Windungsteil der Spule auf gleiches elektrisches Potential bring, vorgesehen. Außerdem weist die Spule eilten in einem zur Stabachse senkrechten Ebene langgestreckten Querschnitt auf. Dabei ist es besonders günstig, wenn das Verhältnis Außendurchmesser zu Innendurchmesser der Induktionsheizspule mindestens zwei beträgt. Der Spulenrand soll den unteren Stabrand überragen, so daß eine nach innen gerichtete Wirkung des Feldes auf die Schmelzflüssigkeit vorhanden ist und sich ein gerader Kristallstab ohne Abtropfen auobildet.

Die seitliche Verschiebung der sich drehenden Halterung wiedererstarrten Stabteils, d. h. die Exzentrizität, wird gemäß einem besonders günstigen Ausführungsbciopiel nach der Lehre der Erfindung bei 40 mm Stabdurchmcsaer auf 8,0 mm eingestellt ο

Bei einer Ziehgeschwindigkeit von 3 mm/min, und einer Rotationsgeschwindigkeit der Halterung dec wiedererstarrton Stabteils von 10-30 UpM. können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Kristallstäbe hergestellt v/erden, welche Kristallstabdurchmesser von 40 mm und darüber aufweisen. Dabei wird beispielsweise von einem Halbleiterat ab ausgegangen, welcher einen Durchmesser von 30 - 40 mm aufweist und während dec Zonenziehprozesses nicht gedreht wird.

Weitere Vorteile und Einzelheiten worden an einem Ausführungsbeispiel anhand der in der Zeichnung dargestellten Figur noch näher erläutert. In der Figur iot im Schnitt ein Kristallstab wahren! des tiegollo^en Z.onen^chm.clsens in einem P.ezipienten dargestellt»

\ · μ _{Λ Λ Λ Λ} η ι « r / λ BAD ORIGINAL

VPA 9/11Ο-ΌΟΟ3 209808/1541 _₅^

In einem Siliciumstab 2, an dessen unterem Ende ein Keimkristall 5 angeschmolzen ist, der einen wesentlich geringeren .Querschnitt als der Siliciumstab 2 hat (4,5 - 5 mn 0) und eine flaschenhalsartige Einschnürung 6 aufweist, wird mit Hilfe einer mit Hochfrequonzstrom gespeisten Induktionsheizspule 3 eine Schmelzzone 4 erzeugt, d.ie durch Äufwärtsbewegen der Heizspule 3 durch den Kristallstab 2 der Länge nach durchgezogen wird ο

,Der Keimkristall 5 besteht aus einen Einkristallstab, welcher ■ in M-11j[ -Richtung gezogen ist und eine Pehlorientierung von ca. 1,5 aufweist. Er wird an den Siliciumstab 2 so angeschmolzen, daß bei.einer Ziehgeschwindigkeit von maximal 30 mm/min ο und einer Drehgeschwindigkeit von 25 UpI.L eine flaschenhalsförmige Einschnürung oder Verjüngung 6 von ca». 25 mm Xänge und 2,5 mm β entsteht. Dann wird die Zichgeechwindigkeit auf 3 mm/min, und die Rotationsgeschwindigkeit der Halterung 8 des wiedererotarrten Stabteils 2a auf 15 UpII. eingestellt und gleichseitig die sich drehende Halterung 8 relativ zur Heizeinrichtung um 8 mm seitlich verschoben. Diese als Exzentrizität bezeichnete Größe ist mit dem Bezugszeichen , gekennzeichnet* Durch diese Maßnahme wird eine Vergrößerung des Durchmessers des unteren Stabteils 2a erreicht. Zur Beheizung der Schmelzzone 4 wird eine einwindige Induktionsheinspule 3 verwendet,welche einen Spuleninncndurchmesser von 29 mm und einen Spulenaußendurchmesser von 70 mm aufweist" und eine geerdete Mittelanzapfung 20 besitzt. Die Spulendurchmesser können je nach gewünschten Kristallstabdurchmesser 25 - 35 mm für den Innendurchmeeser und 60 - 90 mm für den Außendurchmesser betragen. Die Induktionsheizspule ist durch eine Seitenwand des Rezipionten 1 vakuumdicht hindurchgeführt. . ' " "'. ■

Im Deckel und im Boden des Recipienten ist je eine Simmeringdichtung 10 und 11 vorgesehen, die eine vakuumdichte Durchführung der Antriebswellen 12 und 13 für den Slliciurastab sicherstellen. Der Siliciumstab 2 ist in Halterungen 8 und gehaltert. Insbesondere die Halterung 8 kann in Richtung der

9/110/0003 2tftO8/15 41 · BAD ORse^AL - 6 -

Stabachse bewegt und um ihre Achse gedreht v/erden_c In der Seitenwand des Rezipienten 1 ist ein"Schaufenster 19 angeordnet:

Bei Ziehbeginn wird im Rezipienten 1 ein Argondruuk von ca. 1,0 at, eingestellt» Dies geschieht in der Weise, daß das Argon aus einem Vorratsbehälter 14- über ein Leitungssystem in den Rezipienten 1 gelangt. Im Leitungssystem 15 befindet sich ein Reduzierventil 16, ein Absperrventil 17 sowie ein Druckmesser 18« Das Reduzierventil 16 wird geöffnet und durch Betätigen des Dosiervenils 17 am Druckmesser 18 der gewünschte Druck eingestellt.

Der als Vorratsstab dienende Siliciumstab 2 weist einen Stabquerschnitt von 36 mm auf.

Bei Einhaltung der oben genannten Bedingungen rtelingt es, einen versetzungsfreien Einkristallstab mit einem Durchmesser von 52 mm herzustellen. Bei angepaßtem Spulendurchmesser und . angepaßter Exzentrizität ist es auch möglich, Stäbe mit Durchmessern von 60 mm und darüber herzustellen«

10 Patentansprüche
1 Figur

9/110/0005

Claims

P a t e η t a η s ρ r ü c It e >

1» Verfahren zum Herstellen von versetzungsfreien Halbleitereinkristallstäben, insbesondere. Siliciumeinkristallstäbcn, mit Durchmessern größer als 40 ram durch ticgolfreioü Zonenschmelzen eines senkrechtstehenden, an seinen Enden gchalterten Halbleiterstabes in einem Rezipienten in einer Schutzgasatmosphäre unciaait einer den Stab ringförmig umgebenden Iiidiiktionsheisspule,- dadurch gekennzeichnet, daß-der Zonen-sehmelzprozeß in einer Argonatmosphäre bei leichtem Überdruck durchgeführt wird, daß als Keimkristall ein Einkristall mit einem wesentlich geringeren Querschnitt als der Halbleiter-; stab angeschmolzen.-wird, wobei der Querschnitt an der Übergangsstelle vom Keimkristall zum Halbleiterstab durch zeitweiliges Auseinanderbev/egen der Stabenden mit einer Geschwindigkeit von maximal 30 mm/miii. und einer Drejigeschv/indigkeit von 10 - 40 ϋρΙ,Γ mit einer Einschnürung versehen wird, daß aur Beheizung der Schmelszone eine einv/indige Induktions-. hei ξ spule .mit geerdeter Mittnlanzapfung verv/eiidGt v/ird,

und daß zur Tergi'ößeruiig des Durchmessers des aus der Sehmelse -wiedar. ei-starrten Halbleiterstabef3 die sich drehende Halterung des wiedererstarrteii Stabteil? relativ zur Heizeinrichtung um einen Betrag von.6 -'1.2 mm seitlich verschoben ,

c Yerfah2"on na el· Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ₃ daß der Brück in der Ar{jonatmoSphäre auf 0,8 - 1,5^:- at., vorzugs-v/eise '

.. ..bei. 2ielibegin:i auf 1,05 at. eingestellt wird.

3ο Yerfahreii nach iiiispruch 1 ,.dadurch gekennzeichnet, daß als Keimkristall ein iSinkristallstab von 4,5 - 5 mm 0 verv/endet

Wird, welcher in 111 -Richtung gezogen ist und eine Pehlorieiitierung von ca, 1-5° aufv/eisto

4·. 'Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch 'gekennzeichnet, ds,ß eine einv/indige¹ Induktionsheizspule mit

VPA 9/110/0003 2 0 9 8 0 8/1541 BAD ORIGINAL ■ - 8 -

- ο

¹LiCiU iii einer zur Stabachse senkrechten Ebene langgestreckten Querschnitt verweiidet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daf3 das Verhältnis Außendurchmesser zu Innendurchmesser der Indul:ti-.: heizspule mindestens zwei beträgt ο

6c Verfahren nacli mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche Verschiebung der sieh drehenden Halterung des wiedererstarrten Stabteilo, d li, die Exzentrizität, auf 8,0 mm eingestellt wird.

Yo Verfahren nach nindestens einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ziehgeschwindigkeit auf 3 mm/min und die Rotationsgeschwindigkeit der Halterung des wiedererstarrten Stabteils auf 10-30 UpM. eingestellt wird.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial ein Halbleiterstab mit einem Durchmesser von 30 - 40 mm verwendet wird.

9« Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der den Ausgangsstab bildende Stabteil während des Zonenschmelzprozesses nicht gedreht wird.

10. Halbleitereinkristallstab, insbesondere Siliciumeinkristallstab, mit einem Durchmesser größer als 40 mm, hergestellt nach einem Verfahren nach mindestens einen dor Anopriiohr 1 - ⁿ.

!10/üö'j;-:

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