DE2109019A1 - Verfahren zum Herstellen von versetzungsfreien Halbleitereinkristallen - Google Patents
Verfahren zum Herstellen von versetzungsfreien HalbleitereinkristallenInfo
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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Description
Verfahren zum Herstellen von versetzungsfreien HaIbleitereinkristallen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von versetzungsfreien
Halbleitereinkristallstäben, insbesondere SiIi ciumeinkristailstäben, mit Durchmessern größer als 25 mm
durch tiegelfreies Zonenschmelzen eines senkrechtstehenden,
au seinen Unden gehalterten Halbleiterstabes in einem Rezipienten
in einer Schutzgasatmosphäre und mit einer den Stab ringförmig umgebenden Induktionsheizypule,
Es ist bekannt, mit Hilfe von Keimkristallen polykristalline
Silieitimstäbe in Einkristalle zn verwandeln, indem man eine
Schmelzaoiie von dem Ende, an dem der· Keimkristall angesetzt
ist j zu dem anderen Ende des Siliciumstabes wandern läßt.
Der Siliciumstab wird hierbei meist seii]r?echtstehend in r,wei
Halterungen eingespannt, wobei die eine Halterung während des Zonenschmelzen in Rotation um die Stabachse versetzt wird,
so daß «iin symmetrisches Aufwachsen des erstarrenden Materials
ge währ1e ia te t wird °
Einkristalle, die in dieser Weiye durch tisgelfreies Zonenschmelzen
hergestellt worden sind, zeigen meist noch zahlreiche Versetzungen, Zwillingsbildungen und andere Kristallfehle
Die auftretenden Versetzungen können vermindert werden, wenn
gemäß der DAS 1 128 413 ein Keimkristall mit einem wesentlich geringeren Querschnitt als der Siliciumstab angeschmolzen wird
und der Siliciusicmerschnitt an der Übergangsstelle vom Keim-
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BAD ORiGlNAL
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kristall zum Siliciumstab durch zeitweiliges Auseinanderbewegen
der Stabenden eingeschnürt wird und von dieser Einschnürungsstelle aus bis zum Erreichen des vollen Querschnitts des
Siliciumstabes die Geschwindigkeit der Schmelzzone stetig vermindert und schließlieh die Schmelzzone durch den Siliciumstab
mit einer Geschwindigkeit kleiner als 7 mm/min, hindurchgezogen wird.
Eine weitere Möglichkeit, die Versetzungen in einem zonengezogenen
Kristall herabzusetzen, wird dadurch gegeben, daß eine hochgereinigte Schutzgasatmosphäre, insbesondere Vfasserstoff,
~ verwendet wird und im Rezipienten ein Druck eingestellt wird, ~ welcher geringer ist als der Atmosphärendruck. Doch treten
hier oft durch das Schutzgas bedingte Wasserstoffeinschlüsse im Kristallmaterial auf, die die Verwendungsfähigkeit beeinträchtigen.
Solche Wasserstoffschlieren sind koagulierte Leerstellen im Siliciumgitter, die sich mit Wasserstoff beladen
und bei Verwendung des gefertigten Kristallmaterials zur Weiterverarbeitung zu Halbleiterbauelementen die Sperreigenschaften
von pn-Übergängen erheblich herabsetzen, Bei Verwendung
von Argon als Schutzgas enbstehen an den mit hochfrequentem
Wechselstrom gespeisten Induktionsheizspulen elektrische Überschläge, welche sich ebenfalls schädlich auf die Kristallqualität
des durch das tiegelfreie Zonenschmelzen gewonnenen kri-& stallinen Stabes auswirken.
Die Aufgabe, die der vorliegenden Anmeldung zugrundeliegt, besteht
aber nicht nur in der Herstellung von versetzungsfreiem Kristallmaterial, sondern zugleich auch in der Herstellung von
versetzungsfreien Kristallstäben mit relativ großem Kristallquerschnitt,
das heißt mit Durchmessern über 25 mm.
Kristallstäbe mit relativ großem Kristallquerschnitt lassen
sich herstellen durch das sogenannte Aufstauchverfahren, bei dem der auskristallisierende Stabteil einen größeren Durchmes-
J/ υ/υ>
^ BiADORiGfNAL
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ser als der Sehmelzzone zugeführte Stabteil (Vorratsstab) aufweist.
Eine Abwandlung dieses-Verfahrens wird in der DAS 1 218 404 beschrieben, wobei die Dicke des aus der Schmelze
wieder erstarrenden Stabteils über die lichte Weite der Heizeinrichtung hinaus durch, die unterschiedlichen Geschwindigkeiten
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 Vergleichmäßigung der Temperatur der Schmelzzone.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, nämlich versetzungsfreie
Kristalle mit großem Kristallquerschnitt herzustellen, wird durch eine sinnvolle Kombination der bekannten Verfahren
und Vorrichtungen gelöst, wobei es von großer Wichtigkeit ist, daß bei diesen kombinierten Verfahren die geeigneten
Kristallwachstumsbedingungen eingestellt werden.
Es wird deshalb srfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Zonenschmelzprozeß
in einer Argonatmosphäre 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 zum Halbleiterstab durch zeitweiliges
Auseinanderbewegen der Stabenden mit einer Geschwindigkeit von
maximal 30 mm/min, und einer Drehgeschwindigkeit von 10-40
UpM. mit einer Einschnürung versehen wird, daß weiterhin zur Beheizung der Schmelzzone eine einwindige Induktionsheizspule
mit geerdeter Mittelanzapfung verwendet wird, und daß zur Vergrößerung des Durchmessers des aus der Schmelze wieder erstarrenden
Halbleiterstabes die sich drehende Halterung des wiedererstarrten Stabteils relativ zur Heizsinrichtung um einen
Betrag seitlich verschoben wird, welcher 1/10 bis 1/2 des Durchmessers des Halbleiterstabes entspricht.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, den Druck der Argonatmosphäre auf 1,0 - 1,5 at., vorzugsweise bei Ziehbeginn auf 1,05
at., einzustellen. Als Keimkristall wird vorteilhafterweise ein Einkristallstab von 4»5 - 5 mm 0 verwendet, welcher in
(111)-Richtung gezogen ist und eine Fehlorientierung von ca. 1,5 ° aufweist.
Um die Überschlagsneigung zwischen der Induktionsheizspule und
dem Halbleiterstab in der Argonatinosphäre beim tiegelfreien
Zonenschmelzen zu vermeiden, wird an der Induktionsheisspule eine geerdete Mittelanzapfung, welche den Stab und den mittleren
Windungsteil der Spule auf gleiches elektrisches Potential bringt, vorgesehen. Außerdem weist die Spule einen 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 ausbildet.
Die seitliche Verschiebung der sich drehenden Halterung des wiedererstarrten Stabteiles, das heißt die Exzentrizität, wird
gemäß einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung bei 50 mm Stabdurchmesser auf 80 mm eingestellt.
Bei einer Ziehgeschwindigkeit von 3 mm/min, und einer Rotationsgeschwindigkeit
der Halterung des wiedererstarrten Stabteils von 10-30 UpM. können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
Kristallstäbe hergestellt v/erden,, welche Kristallstabdurchmesser
von 25 mm und darüber aufweisen. Dabei wird beispielsweise
von einem Halbleiterstab ausgegangen, welcher einen Durchmesser von 25 - 50 mm aufweist und während des Zonenziehprozesses
nicht gedreht wird.
VPA 9/110/0112 - 5 -
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_ 5 —
Weitere Yorteile und Einzelheiten werden an einem Ausführungsbeispiel
anhand der in der Zeichnung dargestellten Figur noch näher erläutert. In der Figur ist im Schnitt ein Kristallstab
während des tiegellosen Zonenschmelzen in einem Rezipienten dargestellt.
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 mm 0)und eine
flaschenhalsartige Einschnürung 6 aufweist, wird mit Hilfe einer mit Hochfrequenzstrom gespeisten Induktionsheizspule 3
eine Schmelzzone 4 erzeugt, die durch Aufwärtsbewegen der Heizspule 3 durch den Kristallstab 2 der Länge nach durchgezogen
wird.
Der Keimkristall 5 "besteht aus einem Einkristallstab, welcher
in (111)-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, und einer Drehgeschwindigkeit von 25 TJpM. eine flaschenhalsförmige
Einschnürung oder Verjüngung 6 von ca. 25 mm Länge und 2,5 mm 0 entsteht. Dann wird die Ziehgeschwindigkeit
auf 3 mm/min, und die Rotationsgeschwindigkeit der Halterung 8 des wiedererstarrten Stabteils 2a auf 15 UpM. eingestellt
und gleichzeitig die sich drehende Halterung 8 relativ zur Heizeinrichtung um 8 mm seitlich verschoben. Diese als
Exzentrizität bezeichnete Größe ist mit dem Bezugszeichen'7 gekennzeichnet. Durch diese Maßnahme wird eine Vergrößerung
des Durchmessers des unteren Stabteils 2a erreicht« Zur Beheizung der Schmelzzone 4 wird eine einwindige Induktionsheizspule
3 verwendet, welche einen Spuleninnendurchmesser von 32 mm und einen Spulenaußendurchmesser von 90 mm aufweist und
eine geerdete Mittelanzapfung 20 besitzt. Die Spulendurchmesser
können je" nach gewünschtem Kristallstabdurchmesser
20 - 40 mm für den Innendurchmesser und 60 - 120 mm für den
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Außendurchmesser betragen. Die Induktionsheizspule 3 ist durch
eine Seitenwand des Rezipienten 1 vakuumdicht hindurchgeführt.
Im Deckel und im Boden des Rezipienten ist je eine Simmeringdichtung
10 und 11 vorgesehen, die eine vakuumdichte Durchführung
der Antriebswellen 12 und 13 für den Siliciumstab sicherstellen. Der Siliciumstab 2 ist in Halterungen 8 und 9
gehaltert. Insbesondere die Halterung 8 kann in Richtung der Stabachse bewegt und um ihre Achse gedreht werden. In der Seitenwand
des Rezipienten 1 ist ein Schaufenster 19 angeordnet.
Bei Ziehbeginn wird im Rezipienten 1 ein Argondruck von ca. 1,05 at. eingestellt. Dies geschieht in der T/eise, daß das
Argon aus einem Vorratsbehälter 14 über ein Leitungssystem 15 in den Rezipienten 1 gelangt. Im Leitungssystem 15 befindet
sich ein Reduzierventil 16, ein Absperrventil 17 sowie ein Druckmesser 18. Das Reduzierventil 16 v/ird geöffnet und durch
Betätigen des Dosierventils 17 am Druckmesser 18 der gewünschte Druck eingestellt".
Der als Vorratsstab diendende Siliciumstab 2 weist einen Stabquerschnitt von 50 mm auf.
Bei Einhaltung der oben genannten Bedingungen gelingt es, einen versetzungsfreien Einkristallstab mit einem Durchmesser
von 50 mm heraustellen. Bei angepaßtem Spulendurchmesser und angepaßter Exzentrizität ist es auch möglich, Stäbe mit Durchmessern
von 60 mm und darüber herzustellen.
9 Patentansprüche
1 Figur
1 Figur
VPA 9/110/0112 - 7 -
2 0 9 a 3 7 AO 9 53
Claims (9)
1. Terfahren zum Herstellen von versetzungsfreien Halbleitereinkristallstäben,
insbesondere Siliciumeinkristallstäben, mit Durchmessern größer als 25 mm durch tiegelfreies .Zonenschmelzen
eines senkrechtstehenden, an seinen Enden gehalterten Halbleiterstabes in einem Rezipienten in einer
Schutzgasatmosphäre und mit einer den Stab ringförmig umgebenden Induktionsheizspule, dadurch gekennzeichnet
, daß der Zonenschmelzprozeß in einer Argc-natmosphäre 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 zum Halbleiterstab durch zeitweiliges
Auseinanderbewegen der Stabenden mit einer Geschwindigkeit von maximal 30 mm/min, und einer Drehgeschwindigkeit
von 10-40 UpM mit einer Einschnürung versehen wird, daß zur Beheizung der Schmelzzone eine einwindige Induktionsheizspule
mit geerdeter Mittelanzapfung verwendet wird, und daß zur Tergrößerung des Durchmessers des aus der
Schmelze wieder erstarrenden Halbleiterstabes die sich drehende Halterung des wiedererstarrten Stabteils relativ zur
Heizeinrichtung um einen Betrag seitlich verschoben wird, welcher 1/10 bis 1/2 des Durchmessers des Halbleiterstabes
entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Druck in der Argonatmosphäre
auf 1,0 - 1,5 at., vorzugsweise bei Ziehbeginn auf 1,05 at. eingestellt wird.
YPA 9/110/0112 - 8 -
209857/0953
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
, daß als Keimkristall ein Einkristallstab von 4»5 - 5 mm 0 verwendet wird, welcher in (111)-Richtung
gezogen ist und eine Fehlorientierung von ca. 1,5 ° aufweist.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß eine
einwindige Induktionsheizspule mit einem in einer zur Stabachse senkrechten Ebene langgestreckten Querschnitt verwendet
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet
, daß das Verhältnis Außendurchmesser zu
Innendurchmesser der Induktionsheizspule mindestens zwei beträgt.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ziehgeschwindigkeit auf 3 mm/min, und die Rotationsgeschwindigkeit
der Halterung des wiedererstarrten Stabteils auf 10-30 TJpM. eingestellt wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß als
Ausgangsmaterial ein Halbleiterstab mit einem Durchmesser von 15 - 25 sun verwendet wird. ·
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der den
Ausgangsstab bildende Stabteil während des Zonenschmelzprozesses nicht gedreht wird.
9. Halbleitereinkristallstab, insbesondere Siliciumcinkristallstab,
mit einem Durchmesser größer als 25 mm, hergestellt nach einem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-8
VPA 9/110/0112
209837/0953
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