DE2037375A1

DE2037375A1 - Verfahren zur Herstellung eines Halb leiterknstalles durch tiegelfreies Zone schmelzen und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE2037375A1
Application number: DE19702037375
Authority: DE
Inventors: Michel Caen Ayel (Frankreich) BOIj 17 32
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1969-07-21
Filing date: 1970-07-21
Publication date: 1971-04-08
Also published as: FR2052131A5; US3690848A; NL7010584A; GB1322975A; BE753718A

Description

PHN kk62 d J o/R J

Ing. (grad.) GONTHER M. DAVID

AnmeldBr: H.V. PWJ £ GLOZiLAMPENFABRiEKEH
Akte: PHN- 4462

vom. 20. Juli 1970

"Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalles durch tiegelfreies Zoneschmelzen und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens".

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitereinkristalles durch tiegelfreies Zoneschmelzen eines vertikal angeordneten Stabs aus Halbleitermaterial in einer regelbaren Atmosphäre in einer rohrförmigen, luftdicht verschlossenen Kammer, welcher Stab mindestens eine Translationsbewegung in bezug auf eine den Stab umgebende Spule vollführen kann, die von einem Hochfrequenzstrom durchflossen wird} und weiterhin einen durch dieses Verfahren hergestellten

100815/2008

PHN

Halbleitereinkristall und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Das Verfahren zur Herstellung von Einkristallen durch tiegelfreies Zoneschmelzen wird allgemein zur Herstellung von Halbleiteranordnungen verwendet. Ein gewöhnlich polykristallinischer Halbleiterstab wird in einer vertikalen Lage gehalten, örtlich geschmolzen und mit einem Keimkristall in Berührung gebracht, worauf die geschmolzene Zone sich durch den Stab verschiebt und das Material allmählich in einen Einkristall umkristallisiert wird. Die Schmelze wird meistens durch Induktionsströme mittels einer Spule erzeugt, die nahezu koaxial zum Stab liegt und von einem Hochfrequenzstrom durchflossen wird. Die Schmelzzone wird zwischen dem ursprünglichen Stab und dem Keimkristall durch die Wirkung ihres eignen Gewichtes und durch die Oberflächenspannung des Flüssigkeit im Gleichgewicht gehalten; eine solche schwebende Schmelzzone nimmt dadurch eine Form an, die durch eine leichte Baus ellung im unteren Teil und eine halsartige Einschnürung im oberen Teil gekennzeichnet wird.

Während dieses Vorgangs muss die Schmelzzone vor Luft und etwaigen Verunreinigungen geschützt werden. Das Schmelzen erfolgt daher iii einer luftdicht geschlossenen Kammer mit einer regelbaren Atmosphäre od»r im Vakuum.

100315/2006

PHN 4462

Die Induktionsspule kann unmittelbar rings um die Schtnelzzone innerhalb der luftdichten Kammer angeordnet sein; dabei kann jedoch der Einkristall durch Entgasung der Spule verunreinigt werden. Wenn ausserdem der Einkristall in der Dampfphase dotiert werden soll, wobei eine Verunreinigung in Form eines in einem Trägergas ζ,B. Argon zugeführten Dampfes als Dotierungsmittel in die Kammer eingeführt wird, können in der Nähe der Spule lonisierungserscheinungen auftreten," welche die Dotierung beeinträchtigen. Ausserdem muss das Volumen der Metallkammer gross sein, um Kupplung mit der Erhitzungsspule zu vermeiden.

Zum Beheben der vorerwähnten Nachteile, zur Verbesserung der Beobachtung und zum Vereinfachen der erforderlichen, hermetisch geschlossenen Kammer wird vorzugsweise eine durchsichtige, hermetisch geschlossene Kammer um den Stab und den Keimkristall angeordnet, während die Induktionsspule dieser Kammer umgibt. Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind in der französischen Patentschrift Nr. 1,415.880 beschrieben.

Zum Beibehalten einer hinreichenden Kopplung zwischen Spule und Stab, was umsomehr notwendig ist je grosser die Durchmesser des Stabs und des sich bildenden Einkristalles sind, müssen die Windungen der Spule einen minimalen Durchmesser aufweisen. In der in vor-

109815/2006

PHN 4462

erwähnter Patentschrift genannten Vorrichtung können diese Windungen nicht sehr nahe an dem Rohr liegen, da während der Verschiebung der Spule in bezug auf das Rohr Reibung und etwaige Erschütterungen Beschädigungen hervorrufen können. Es ist daher notwendig, einen hinreichenden Raum zwischen der Spule und dem Rohr frei zu lassen.

Um andererseits zu vermeiden, dass die flüs-» sige Zone an der Innenwand des Rohrs festklebt, muss das Rohr einen verhältnismässig grossen Durchmesser aufweisen, der umso grosser sein muss, da es oft notwendig ist, den Stab und/oder den Einkristall im Innern des Rohres zu drehen.

Infolge der vorerwähnten Anforderungen können bei grossen Durchmessern der Stäbe der Unterschied zwischen den Durchmessern der schwebenden Schmelzzone und der vom Hochfrequenzstrom durchflossenen Windungen gross, die induktive Kopplung gering, der innere Teil nicht ausreichend erhitzt und die Erhitzung unregelmässig sein, während gerade in radialer Richtung scharfe Temperaturgradienten auftreten können, wodurch die Fest-, stoff-Flüssigkeitsübergangsflächen stark aufbauschen und Kristallfehler auftreten. Bei sehr grossen Durchmessern kann der axial Teil des Stabs ungeschmolzen bleiben.

Die Erfindung bezweckt, die Nachteile vorer-

109815/2006

PHN 4462

wähnter Verfahren zu verringern. Weiterhin bezweckt die Erfindung die Herstellung von Halbleiter-Einkristallen grossen Durchmessers mit guter Kristallgüte zu ermög- . liehen, die gewünschtenfalls aus der Dampfphase dotiert werden können.

Nach der Erfindung wird das Verfahren zur

Herstellung eines Halbleiter-Einkristalles durch tiegelfreies Zoneschmelzen eines vertikal angeordneten Stabs aus Halbleitermaterial in einer regelbaren Atmosphäre in einem rohrförmigen, luftdicht verschlossenen Raum, welcher Stab mindestens eine Translationsbewegung in bezug auf eine den Stab umgebende Spule vollführen kann, die von einem Hochfrequenzstrom durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule die Kammer in der Höhe eines verjüngten Teiles derselben umgibt, dessen Innendurchmesser kleiner ist als der Durchmesser der festen Teile des Stab«! und/oder des sich bildenden Einkristalles.

Die Verjüngung der rohrförmigen Kammer in der Höhe der Spule ermöglicht, einen minimalen Durchmesser der Spule zu verwenden, wodurch die Hochfrequenzkopplung zwischen der Spule und der Schmelzzone verbessert wird. Diese Verbesserung ermöglicht, Einkristallstäbe grösseren Durchmessers herzustellen, während eine geeignete Kristallgüte beibehalten wird.

Die Verjüngung der Kammer bedingt eine ent-

108815/200$

PHN 4462

sprechende Verjüngung der Schmelzzone in der gleichen Höhe. .

Diese flüssige Zone nimmt die beschriebene Form an infolge der optimalen Kopplung zwischen der Spule mit dem erfindungsgemäss zulässigen, kleinen Durchmesser der Windungen und infolge des schmalen Halses der flüssigen Zone, welche schmale Halsform durch Abstosskräfte zwischen dem Strom durch die Spule und den Foucalt-Strömen in der geschmolzenen Zone erhalten wird. Die Erhitzung ist gleichmässiger infolge dieses geringen Halsdurchmessers, da die normalerweise nur an der Oberfläche der Schmelze entwickelte Wärme infolge der "Hautwirkung" nicht auf grosse Durchmesser beschränkt ist.

Die Geschwindigkeiten der Translationsbewegungen des St&bs und des Keims des zu bildenden Einkristalles lassen sich derart regeln, dass die erwünschten Abmessungen des Einkristalles erhalten werden, wobei die Erhitzung in an sich bekannter Weise regelbar ist.

Die Hochfrequenzspule kleineren Durchmessers ermöglicht, den Vorgang mit einem Keim kleineren Durchmessers durchzuführen, während eine ausreichende, induktive Kopplung beibehalten wird. Bekanntlich ist eine Verringerung des Durchmessers des Keimkristalles günstig zum Erzielen eines Einksci»tailss höherer Güte.

Der Durchmesser d©a nicht verjüngten Teils

10881B/2Ö06

PHN kk62

der rohrförmigen Kammer, der dann nicht mehr von dem Innendurchmesser der Windungen der Erhitzungsspule bestimmt wird, braucht nicht mehr auf ein Mindestmass herabgesetzt zu werden; es ist dann möglich, nicht geeichte Rohre zu verwenden und den Stab und den Einkristall drehen zu lassen ohne die Gefahr einer Reibung an der Innenwand des Rohres.

Da die Erhitzungsspule in bezug auf die Kammer fest angeordnet ist, wird die Gefahr von Erschütterungen und Beschädigung infolge Reibung einer Windung der Spule an der Rohrwand vermieden. Die Spulen lassen sich sogar gegen die Aussenwand des Rohres festdrücken. Bei Verwendung einer einzigen Spulenwindung kann die so gebildete Schleife enger geschlossen werden, wodurch die Homogenität der Erhitzung verbessert wird, da die Anschlüsse an eine einzige Windung elnigerraassen eine Ungleichmässigkeit des Hochfrequenzinduktionsfeldes hervorrufen. Diese Verbesserung trägt auch dazu bei, grössere Durchmesser der Einkristalle guter Kristallqüalität erzielbar zu machen.

Da die Erhitzungsspulen ausserhalb der rohrförmigen Kammer liegen, Gefahr einer Ionisation der Atmosphäre innerhalb der Kammer ähnlich wie die Gefahr einer 'Verunreinigung des Einkristalles durch das Spulenmaterial vermieden.

In e'iner bevorzugten Form des Verfahrens nach

109815/2006

PHN 4462

der Erfindung wird der Stab von dem unteren Ende her geschmolzen, während dem Einkristall der Durchmesser des Stabs und dem Hals der Schmelzzone ein Durchmesser maximal gleich der Hälfte des Stabdurchmessers erteilt wird. Der mit dem Keim verbundene Einkristall kann eine Translations— und eine Rotationsbewegung und der Stab kann mindestens eine Translationsbewegung vollführen .

Der Einkristall entsteht gewöhnlich aus einem Polykristallstab. In diesem FaIl wird ein Keimkristall am unteren Ende der Vorrichtung angebracht und zunächst mit dem unteren Ende des Polykristallstabs in Berührung gebracht, der geschmolzen wird, worauf die Schmelzzone durch die Translationsbewegung des Keimkristalles und des Polykristallstabs verschoben wird. Die Translationsbewegungen des Keims und des Stabs sind vorzugsweise unabhängig voneinander.

Der Keimkristall hat einen Durchmesser, der kleiner ist als der des Halses der rohrförmigen Kammer in der Höhe der Verjüngung. Der Keim und der Polykristall werden gedreht, vorzugsweise in entgegengesetzten Richtungen, wodurch die Schmelzzone gleichsam gerührt wird.

Die Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach dir Erfindung ein Quarzrohr, das in der Höhe einer Verjüngung von einer Induktionsspule umgeben wird, die durch eine einzige Windung gebildet wird, die durch

109815/2006

PHN

umlaufendes Wasser gekühlt wird und z.B. aus Kupfer besteht, welche Windung um die Verjüngung des Rohres geformt ist, so dass die Schleife möglichst eng anliegt. Das Quarzrohr weist Gaseinlass- und Gasauslassrfihrchfln auf. Das Rohr wird durch Abdichtungsorgane verschlossen, die je eine abgedichtete Durchführung für die Achsen aufweisen, an denen die Hälter für den Keim und den Stab befestigt sind. Die Vorrichtung nach der Erfindung enthält Mittel zur Durchführung der Translations- und Rotationsbewegungen des Keims und des Stabs des Ausgangsmaterials, die unabhängig voneinander*sein können. Vorzugsweise werden zwei Rotations- und Translationsköpfe einander gegenüber auf einer gemeinsamen Stütze angebracht, an der das Rohr und die Erhitzungsspule befestigt sind.

Selbstverständlich können bekannte Verfeinerungen wie eine zusätzliche Erhitzung, Durchmesserregelvorrichtungen, Erhitzungskorrekturmittel, Regelmittel für das Volumen der Schmelzzone bei der Vorrichtung nach der Erfindung verwendet werden. Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Herstellung eines Einkristalles mit einem Durchmesser, der von dem des Polykristallstabs verschieden ist. Die Erfindung ermöglicht, die Erhitzungsspule exzentrisch in bezug auf den Stab oder den Keimkristall exzentrisch in bezug auf den Polykristallatab anzuordnen, während die

109815/2006

PHN 4462

richtigen induktiven Kopplungen aufrechterhalten werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand beiliegender Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine vereinzelte Ansicht des Teiles der Vorrichtung nach Fig. 1_f der in der Höhe der Schmelzzone liegt.

Im Innern eines durchsichtigen Siliciumoxydrtohres 1, das durch zwei Stöpsel 2 und 3 verschlossen ist, wird ein Keimkristall 4 in einem Halter 5 am Ende einer Achse 6 gehaltert₅ welche Achse luftdicht durch den Stöpsel 2 durchgeführt ist, während ein Polykris— tallstab 7 i*i einem Halter 8 am Ende einer Achse 9 festgehalten wird_s welche Achse durch den Stöpsel 3 luftdicht geführt iat.

Das Rohr 1 ist nä.t einem Gaszufuhrrobrehen 10 und einem Gasabfuhrröhrchen 11 versehenf das Rohr weist eine Terjilngraxg 12 auf» Darin wird eine Windung 13 eines EupferroJires angebracht,, das von einem Hocixfrequenzstront durchflössen und gleichzeitig durcii strömendes Wasser gekühlt wird»

Zum Zoneschmeißen ©ines States 7 wit einem Durchmesser von mindestens 3® sie hat das. Rohr f z.B. einen Innendurchmesser von kB κι, der in der Köiis der

108@!S/2Q0S

PHN 4462

Verjüngung 12 auf 3O mm herabgesetzt ist.

Die Vorrichtung ist im Betrieb in einer Stufe dargestellt, in der ein Teil des Stabs 7 geschmolzen und ein Einkristallstab lh teilweise gebildet ist. Eine Schjselzzone 15 ist im Gleichgewicht zwischen dem Stab und dem Stab 14; das Profil dieser Zone wird durch die Oberflächenspannung der Flüssigkeit, durch ihr Gewicht und durch Kräfte bestimmt, die durch die Wechselwirkung des Stromes durch die Windung 13 und der" Foucalt-Strorae in der Zone hervorgerufen werden. Die Zone 15 hat infolgedessen einen aufgebauschten Teil 16 und einen verjüngten Teil 17· Auf der Seite des Ausgangs— stabs 7 ist die Zone durch die Schmelzfront 18 und auf der Seite des Keimkristalles 14 durch die Erstarrungsfront 19 begrenzt. Die Zone 15 hat z.B. einen Durchmesser von 18 bis 20 mm in dem verjüngten Teil und einen Durchmesser von mindestens 38 mm an dem Stab

Das Volumen und die Form der Schmelzzone 15 warden durch Regelung der Frequenz und der Intensität des Stroms durch die Windung 13 erhalten.

Der Keim 14 und der Stab 7 werden je für sich in Drehung versetzt (siehe die Pfeile 20 bzw. 21) und in eine Translationsbewegung in Richtung der Pfeile 22 bzw. 23.

109815/2006

PHN 4462

Die Translations- und Rotationsgeschwindigkeiten werden nach den üblichen Kriterien bestimmt; die Rotationen müssen die Homogenität der Schmelzphase und die Regelmässigkeit der Kristallisierungsfront und die Translationen den Fortschritt der Schmelzzone längs des Stabs 7 und den Durchmesser des Einkristalles in bezug auf den des Stabs bestimmen.

Aus den Fig. 1 und 2 zeigt sich, dass der Durchmesser der Erhitzungsspule 13 erheblich kleiner ist als der einer Spule, die in bekannter Weise um ein Rohr 1 angebracht ist, das keine Verjüngung aufweist und dass d^e induktive Kopplung zwischen der Windung 13 und der Zone 15 optimal ist«,

Am Anfang ist auch die induktive Kopplung zwischen der Windung 13 und dem Keim 14 kleinen Durchmessers besser als bei einer Spule verhältnismässig grossen Durchmessers, die ein Rohr 1 ohne verjüngten Teil umgibt.

Das Rohr 1 ist durchsichtig, so dass der ganze Vorgang gut beobachtet werden kann. Der Einkristall kann aus der Dampfphase dotiert werden, ohne die Gefahr von Ionisationserscheinungen. Der Einkristall wird vor Verunreinigung durch die Erhitzungsspule geschützt .

Selbstverständlich können die Teile der rohrförmigen Kammer auf beiden Seiten der Verjüngung andere Formen aufweisen als in Fig. 1.

109815/2006

Claims

PHN

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Einkristalles durch tiegelfreies Zoneschmelzen eines vertikal angeordneten Stabs aus Halbleitermaterial in einer regelbaren Atmosphäre im Innern einer rohrförmigen, luftdicht verschlossenen Kammer, welcher Stab mindestens eine Translationsbewegung in bezug auf eine den Stab umgebeade Spule vollführen kann, die von einem Hochfrequenzstrom durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule die Kammer in der Höhe eines verjüngten Teiles derselben umgibt, ddssen Innendurchmesser kleiner ist als der Durchmesser d*er festen Teile des Stabs und/oder des sich bildenden Einkristalles.

"2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Stab von dem unteren Ende ab geschmolzen und mit einem Keimkristall in Berührung gebracht wird, und der gebildete Einkristall den gleichen Durchmesser wie der Stab aufweist, während die geschmolzene Zone einen verjüngten Teil aufweist, dessen Durchmesser maximal gleich der Hälfte des Stabdurchmessers ist.

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Stab und der Einkristall Translationsbewegungen vollführen können, die voneinander unabhängig sind.
h. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3

108815/2006

ί>ΗΝ kh6z

dadurch gekennzeichnet, dass der Stab und der Einkristall in Drehung versetzt werden, welche Drehungen voneinander unabhängig sind.

5· Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche Vorrichtung eine Kammer mit einer durchsichtigen, luftdicht verschlossenen, rohrförmigen Wand und Gaseinfuhr- und Gasabfuhrröhrchen und eine Induktionsspule mit einer Windung enthält, die durch strömendes Wasser abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass diese Windung die rohrfÖrmige Wand in der Höhe des verjüngten Teiles umgibt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass sie Rotations- und Translationsbewegungsorgane für den Stab und den Einkristall aufweist, die voneinander unabhängig wirksam sein können. 7· Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser der Spule kleiner ist als der Aussendurchmesser der rohrförmigen Wand auf beiden Seiten der Verjüngung. 8. Halbleiter-Einkristall, der durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis h hergestellt ist.

109815/2006