DE2109019A1

DE2109019A1 - Verfahren zum Herstellen von versetzungsfreien Halbleitereinkristallen

Info

Publication number: DE2109019A1
Application number: DE19712109019
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. 8551 Pretzfeld Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-02-25
Filing date: 1971-02-25
Publication date: 1972-09-07
Also published as: IT947780B; NL7113850A; FR2126264A1; GB1321204A; AT318010B; BE779868A

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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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-

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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.

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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

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2 0 9 a 3 7 AO 9 53

Claims

Patentansprüche

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.

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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

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