DE2059360A1

DE2059360A1 - Verfahren zum Herstellen homogener Staeben aus Halbleitermaterial

Info

Publication number: DE2059360A1
Application number: DE19702059360
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl-Chem Dr Dietze; Alfred Dipl-Ing Dr Muehlbauer; Konrad Dipl-Chem Dr Reuschel; Herbert Dipl-Chem Dr Sandmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-12-02
Filing date: 1970-12-02
Publication date: 1972-06-08
Also published as: DK136846C; US3781209A; GB1311458A; IT941389B; FR2117202A5; NL7113983A; BE776149A; DK136846B

Description

- 2 DFZ 1Q 7 D SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, ^ljiU

Berlin und München Wittelsbacherplatz

70/1207

Verfahren zum Herstellen homogener Stäben aus Halbleitermaterial

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung homogener Stäbe aus Halbleitermaterial durch Schmelzen.

Solche Verfahren sind allgemein bekannt. Bei einem dieser Verfahren wird das Halbleitermaterial zunächst pyrolytisch aus einer gasförmigen Verbindung auf erhitzte stabförmige Trägerkörper abgeschieden. Die Trägerkörper bestehen meist aus dem gleichen Halbleitermaterial und können mehr oder weniger dotiert sein. Nach dem Abscheiden von Halbleitermaterial entsteht dann ein Stab, der im Inneren seines Querschnittes dotiert ist, außen jedoch nicht. Das Dotiermaterial wird dann mittels des bekannten tiegelfreien Zonenschmelzens über den ganzen Querschnitt gleichmäßig verteilt, so daß sich im ganzen Stab nunmehr eine niedrigere Dotierung einstellt. Aus diesem Stab können z.B. durch Dünnziehen wieder mehrere stabförmige Trägerkörper hergestellt werden, auf die wiederum aus der gasförmigen Phase Halbleitermaterial abgeschieden wird. Dieses aus den abwechselnden Schritten Abscheiden und Zonenschmelzen bestehende Verfahren kann solange fortgesetzt werden, bis die gewünschte homogene Dotierung erreicht ist. Dieses Verfahren ist jedoch relativ um-

VPA 9/110/0120 Hab/Hob - 2 -

209824/0861

ständlich und hat außerdem den Nachteil, daß Abfallstücke von Halbleitermaterial nicht verwendet werden können.

Abfallstücke aus Halbleitermaterial werden daher in einem Tiegel geschmolzen, aus dem nach dem Verfahren von Czochralski ein Stab gezogen wird» In den Tiegel kann auch der zur Grunddotierung notwendige Dotierstoff gegeben werden, der sich beim Ziehen aus der Schmelze im Stab einbaut. Das Tiegelverfahren hat ,jedoch den Nachteil, daß die im Tiegel enthaltenden Verunreinigungen ebenfalls im Stab eingebaut werden. So wird z.B. Sauerstoff in erheblichem Maße in aas Halbleitermaterial eingebaut wenn der Tiegel aus Quarz besteht.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunrieliegenae Aufgabe besteht darin, ein Verfahren der eingangs erwähnten Gattung anzugeben, bei dem Abfallmaterial verarbeitet werden und/oder die gewünschte Dotierung auf einfache Weise erzielt werden kann, ohne die erwähnten Nachteile des Tiegelziehverfahrens ir. Kauf nehmen zu müssen.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein wenigstens annähernd senkrecht stehendes, an beiden Seiten gehaltertes, unten geschlossenes Rohr aus Halbleitermaterial mit einer Füllung von kristallinen Halbleitermaterialstücken und/oder Hotiermaterial versehen wird, daß eine Schmelzzone durch das Rohr und die Füllung geführt wird, und daß während des Schmelzens die zu beiden Seiten der Schmelzzone liegenden Teile relativ zueinander verdreht werden.

VPA Q/110/0120 - ;1 -

209824/0861

Dabei kann die Füllung aus dotierten oder undotierten Halbleiterinaterialstucken bestehen. Verwendet man eine Füllung von undotierten Halb]eitermaierjalstücken, wird zweckmäßigerweise in das Rohr ein aen JJotierstoff enthaltender Stab eingesetzt, der wenigstens annähernd gleiche Länge wie dar Rohr hat. In das Rohr kann auch nur ein Dotierstoff enthaltender Stab eingesetzt werden, der wenigstens annähernd die gleiche Länge wie das Rohr hat. Vorzugsweise ist der Stab konisch geformt. Die Schmelzzone kann auch von der Anschmelzstelle eines Uinkrista!les her durch das Rohr und die Füllung bewegt werden. Damit kann gleichzeitig mit der Erzielung homogener Eigenschaften der Halb]eiterstab in einen EiHk^-H.stall umgewandelt werden.

Die Erfindung wird anhand zweier Ausfuhn.o-gsbeispi.ele in Verbindung mit den Figuren 1 und 2 naher erläutert.

In Figur 1 ist eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Teil im i.chnitt gezeigt. Die Anordnung weist ein vakuumdichte!* Gehäuse auf. Im Gehäuse 1 sind zwei Halterungen 2 und 3 vorgesehen, mit denen ein Rohr 8 aus Halbleitermaterial eingespannt ist. Die Halterung 2 weist Schrauben 4 auf, dünn die das Rohr 8 in seiner Lage gehalten wird. Die Halterung 2 ist mit einer Welle 19 verbunden, die durch eine Dichtung 5 zu einem Antriebsaggregat 16 führt. Die Welle 19 kann durch das Antriebsaggregat sowohl in Rotation versetzt aJs auch parallel zu ihrer Achse verschoben werfen. Auf tüiiiliche Weise ist die Halterung 3 über eine ft'elie 18, die durch eine Dichtung 6 hindurchführt, mit einem Antriebsaggregat 17 verbunden, durch das aie Welle

VPA 9/110/0120 -A-

2Q98M/086!

2Q5936Q

in Rotation versetzt und parallel zu ihrer Achse verschoben werden kann. Die Anordnung weist weiter eine Hochfrequenzspule 12 auf, die durch eine Zuleitung 14, die durch eine Dichtung 15 führt, mit einem außerhalb des Gehäuses 1 liegenden, in der Figur nicht gezeigten Hochfrequenzgenerator verbunden ist. Die Spule 12 erzeugt mit Hilfe von HF-Energie eine Schmelzzone 10. Über der Schmelzzone 10 liegt ein Teil 11, der ein Teil der herzustellenden Stabes bildet. Unter der Schmelzzone 10 liegt ein Teil 13 des ursprünglichen Rohres. Dieser Teil 13 ist mit Stücken 9 aus Halbleitermaterial, z.B. Abfall gefüllt.

Das Verfahren wird so durchgeführt, daß die Hochfrequenzspule 12 zunächst in die Nähe des oberen Endes des Rohres 8 gebracht wird. Ein Teil des Rohres und der Füllung wird dann aufgeschmolzen, gleichzeitig werden die Teile 11 und 13 relativ zueinander mit einer Drehzahl von 5 bis 100, vorzugsweise etwa 40 min" gedreht. Damit ergibt sich eine homogene Verteilung des Materials im herzustellenden Stab. Besteht z.B. das Rohr 8 aus undotiertem Material und befinden sich unter der Füllung 9 Stücke aus dotierten Halbleitermaterial, so ergibt sich eine homogene Verteilung und eine entsprechende Größe der Dotierung im Stab. Entsprechend dem Raimerfüllungsgrad der Füllung 9» der kleiner als 1 ist, müssen mit fortschreitender Schmelzzone 10 von oben nach unten die Halterungen 2 und 3 gegeneinander bewegt werden, damit der Durchmesser des Stabes über die ganze Länge gleich

VPA 9/110/0120 - 5 -

209874/0861

2Q5936Q

bleibt. Dabei können entweder die Halterungen 2,3 alleine oder auch beide Halterungen gleichzeitig bewegt werden. Dies wird durch die Antriebe 16 oder 17 bzw. 16 und 17 erreicht. Die Strecke, um die die Halterungen bewegt werden müssen, läßt sich durch einen nicht gezeigten Regler bestimmen, durch den die Schmelzzone 10 auf konstantes Volumen eingeregelt wird. Ein solches Regelverfahren ist z.B. in der deutschen Patentschrift 1 153 908 beschrieben. Hierbei ist die Hochfrequenzspule Teil eines Schwingkreises, dessen Induktivität im wesentlichen durch das Yolumen der Schmelzzone und der Spule selbst bestimmt ist. Dem Schwingkreis wird eine Frequenz aufgedrückt, die in der Planke der Resonanzfrequenz des Schwingkreises liegt. Verändert sich die Induktivität des Schwingkreises durch Abnahme oder Zunahme des Volumens der Schmelzzone, so ergibt sich eine Spannungsänderung, die als Regelgröße zum Verstellen der Halterungen 2,3 über die Antriebsaggregate 16 bzw. 17 benützt wird. Durch diese Art der Steuerung ist gewährleistet, daß das Volumen der Schmelzzone konstant und der herzustellende Stab an jeder Stelle den gleichen Quersc hnitt aufweist.

Besteht das Rohr und die Füllung aus Silicium, so wird eine Schmelztemperatur von etwa 1420⁰C eingestellt. Das Rohr kann eine Dicke von 20 bis 80 mm und eine Wandstärke von 1 bis 5 mm aufweisen. Die Geschwindigkeit der Schmelzzone beträgt zweckmäßigerweise 0,5 bis 5 mm pro Minute.

Das Verfahren wurde anhand eines Ausführungsbeispieles VPA 9/110/0120 - 6 -

209824/0861

beschrieben, bei der die Schmelze von oben nach unten bewegt wird. Es ist jedoch auch möglich, die Schmelze von unten nach oben durch das Rohr und die Füllung zu bewegen. Dann entsteht von unten ausgehend ein Stab, während sich das Rohr bzw. der Rest des Rohres über der Schmelze befindet. Das Rohr kann mittels einer Halte-vorrichtung einwandfrei gehaltert werden. Damit die Füllung 9 nicht in die Schmelze nachsackt, muß sie fest in das Rohr eingestampft oder eingepreßt werden.

In Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Hierbei sind nur noch die wesent-

k liehen Teile dargestellt, während die Antriebsorgane, das Gehäuse usw. der Einfachheit halber weggelassen wurden. Die Anordnung weist ein Rohr 20 auf, das mittels zweier Schrauben 27 in einer Halterung 26 gehalten wird. Im Rohr 20 befindet sich eine Dotiermaterial enthaltende Seele 21. Die Seele 21 wird durch zwei Schrauben 28 an der Halterung 26 in ihrer Lage gehalten. Im Rohr kann sich außerdem noch eine Füllung 29 von dotierten oder undotierten Halbleitermaterialstücken befinden. Die Schmelzspule hat in diesem Ausführungsbeispiel die Bezugsziffer 22, die Schmelzzone die Bezugsziffer 23 und der stabförmige Teil die Bezugsziffer 24. Am unteren Ende des stabförmigen Teiles

* 24 ist ein Kristall 25 kleineren Durchmessers angeschmolzen, der z.B. ein Einkristall sein kann.

In diesem Ausführungsbeispiel wird die Schmelzzone von unten nach oben durch das Rohr geführt. Da der Verteilungskoeffizient der meisten Dotierungsstoffe, z.B. von Gallium, Arsen, Antimon, kleiner als 1 ist, d.h. im festen Halbleitermaterial löst sich weniger Dotierungsstoff als im flüssigen Halbleitermaterial, würde dies

VPA 9/110/0120 - 7 -

209824/086!

dazu führen, daß die Dotierung des Stabes von unten nach oben laufend ansteigt. Die Dotierstoffseele ist daher konisch ausgeführt mit einem Durchmesserverhältnis von unten zu oben von 3:1 bis 2:1. Die Dotierstoffseele besteht zweckmäßigerweise aus Legierungen des Halbleitermaterials mit dem Dotierstoff, also z.B. aus Si/P, Si/As, Si/Sb, Si/Ga usw.. Das Legierungsverhältnis kann dabei in weiten Bereichen variiert werden, je nach Höhe der bereits im Halbleiterstab vorhandenen Grunddotierung und dem Grewichtsverhältnis von Seele zu Stab.

Im Falle einer Dotierung mit Bor wird eine aus einer Si/B-Legierung bestehende Seele benutzt, die nicht konisch ausgebildet ist, da der Verteilungskoeffizient von Bor im Silicium etwa gleichiist.

In Figur 2 ist die Seele konzentrisch zum Rohr angeordnet. Dies ist ,jedoch nicht notwendig, da beim Zonenschmelzen ein Rühreffekt auftritt, der das Material im Stab gleichmäßig verteilt.

9 Patentansprüche
2 Figuren

VPA 9/110/0120 ' , - 8 -

209874/0861

Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Herstellen von Stäben aus Halbleitermaterial durch Schmelzen, dadurch gekennzeichnet , daß ein unten geschlossenes wenigstens annähernd senkrecht stehendes, an beiden Enden gehaltertes Rohr (8,20) aus Halbleitermaterial mit einer Füllung von kristallinen Halbleitermaterialstücken (9»29) und/öder Dotierstoff versehen wird, daß eine Schmelzzone (10,23) durch das Rohr und die Füllung geführt wird, und daß während des Schmelzens die zu beiden Seiten der Schmelzsone (10,23) liegenden Teile (11,13; 20,24) relativ zueinander verdreht werden.

ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in aas Rohr (8,20) eine Füllung von dotierten Halbleitermaterialstücken gegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet , daß in das Rohr (8,20) eine Füllung von undotierten Halbleitermaterialstücken gegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3_f dadurch gekennzeichnet , daß in die Füllung eine den Dotierstoff enthaltende Seele (21) eingesetzt wird, die wenigstens annähernd gleiche Länge (20) wie das Rohr hat.

VPA 9/110/0120 - 9 -

209824/0861

205936Q

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das Rohr nur eine den Dotierstoff enthaltende Seele eingesetzt wird, die wenigstens annähernd die gleiche Länge wie das Rohr hat.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Seele (21) konisch geformt ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a durch gekennzeichnet, daß die Schmelzzone von der Anschmelzstelle eines Einkristalles (25) her durch das Rohr und die Füllung bewegt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a durch gekennzeichnet, daß die Schmelzzone von oben naoh unten die füllung und das Rohr bewegt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a durch gekennzeichnet, daß die Schmelzzone von unten nach oben durch das Rohr und die Füllung bewegt wird.

VPA 9/110/0120

209874/Π861

Leerseite