DE2241710B2

DE2241710B2 - Schiffchen zum Züchten von Halbleitereinkristallen nach dem horizontalen Bridgman-Verfahren

Info

Publication number: DE2241710B2
Application number: DE2241710A
Authority: DE
Inventors: David William Beacon Boss; Edward Melvin Lagrangeville Hull; Salvatore James Marlboro Scilla
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1971-09-13
Filing date: 1972-08-24
Publication date: 1980-03-06
Also published as: DE2241710C3; JPS4840374A; FR2154458B1; US3796548A; FR2154458A1; JPS5239389B2; GB1343384A; DE2241710A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Schiffchen zum Züchten von Halbleitereinkristallen nach dem horizontalen Bridgam-Verfahren, das einen ersten zur Aufnahme des Halbleitermaterials bestimmten Abschnitt aufweist, welcher am einen Ende nach Art eines Bootsbugs geformt und am anderen Ende zu einem nach oben offenen Abschnitt zur Aufnahme des Keimkristalls verjüngt ist.

Unter den sehr unterschiedlichen Verfahren zur Züchtung von Halbleitereinkristallen ist das horizontale Bridgam-Verfahren eines der bekanntesten. Der bei der Züchtung verwendete Ofen hat zwei durch den Abschnitt mit dem abfallenden Temperaturprofil getrennte, voneinander unabhängig regelbare und auf unterschiedliche Temperaturen eingestellte Temperaturzonen. Das Züchtungsschiffchen befindet sich in einem waagerecht liegenden Ofenrohr, in dem es sich horizontal verschieben läßt. Die heißere Ofenzone ist auf eine Temperatur oberhalb und die kältere Ofenzone auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleitermaterials eingeregelt. Zu Beginn des Züchtens steht das Züchtungsschiffchen bzw. Züchtungsboot so im Temperaturgradienten, daß die Stelle, an der der Keimkristall die Schmelze berührt, eine Temperatur hat, die dem Schmelzpunkt des Halbleitermaterials entspricht.

Enthält die Schmelze eine Komponente, welche bei deren Schmelztemperatur leicht flüchtig ist, ist es notwendig, das Züchtungsboot in einem evakuierten Quarzrohr einzuschmelzen. Die Schmelze ist im allgemeinen entsprechend der gewünschten Verbindung im Einkristall zusammengesetzt und wird aus ihren im richtigen Mengenverhältnis vorhandenen Bestandteilen vor der Züchtung im bereits abgeschmolzenen Quarzrohr erzeugt. Die Schmelze wird unter einem Druck gehalten, der dem bei der Dissoziation der geschmolzenen Verbindung bei ihrem Schmelzpunkt sich einstellenden Dampfdruck der leichter flüchtigen Komponente entspricht Einzelheiten beschreiben T. S. Plaskett u. a. im Journal of the Electrochemical Society, Soüd State Science, Januar 1971, Seite 115, am Beispiel des Galliumarsenids.

Im allgemeinen wird das Züchtungsboot aus Quarzglas hergestellt Dabei hat es sich als günstig erwiesen, die Oberfläche des Quarzglases sandzustrahlen, weil dadurch ein Benetzen des Quarzglases mit der Schmelze verhindert wird.

Die ersten Züchtungsbootkonstruktionen bestanden aus halbzylindrischen Wannen, an deren einem Ende sich der Keimkristall eingebettet in pulverisiertem Quarzglas und im Kontakt zur Schmelze befand.

Später wurde es — wie es die Figur 2 in dem obengenannten Artikel zeigt — als günstig angesehen, eine gesonderte, zu der Wanne mit der Schmelze geöffnete Höhlung zur Aufnahme des Keimkristalls anzubringen. Man hoffte, dadurch größere Einkristalle aus kleineren Keimkristallen, als das vorher möglich war, zu ziehen. Bei diesen Bootkonstruktionen ist die radiale, thermische Symmetrie zur Kristallwachstumsachse nicht gewährleistet, was die erwünschte Wachstumrichtung entlang der horizontalen Achse des Bootes

->^r> behindert oder zu polykristallinem Wachstum führt. Außerdem haben die in diesen Züchtungsbooten gezogenen Einkristalle keine einheitliche und reproduzierbare kristallorganische Orientierung zur Achse des Bootes. Es ist schwierig, aus so deformierten Einkristallen Plättchen der gewünschten Gestalt und Kristallorientierung für die Produktion integrierter Schaltkreise zu gewinnen.

Es wurde auch erkannt, daß die Ausbildung der flüssig-festen Grenzfläche wesentlich mitbestimmt, ob

r> das gewünschte Einkristallwachstum oder aber Zwillingsbildung oder gar polykristallines Wachstum stattfindet. Jedoch war es bisher nicht möglich, die Gestalt der flüssig-festen Grenzfläche gezielt und reproduzierbar festzulegen.

mi Eine Züchtung nach bekannten Verfahren, wobei die diskutierten Schwierigkeiten auftreten, wird z. B. in der US-Patentschrift 35 20 810 beschrieben.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Schiffchen zum Züchten von Halbleiterkristallen anzugeben, mit dem

v, Kristalle, welche eine konstante, festgelegte und reproduzierbare kristallographische Orientierung zur Wachstumsrichtung haben, über ein möglichst langes Stück gerade wachsen und einen konstanten, festgelegten und reproduzierbaren Querschnitt senkrecht zur

w Wachstumsrichtung haben, erzeugt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem eingangs genannten Schiffchen dadurch gelöst, daß auf diesem koaxial zum ersten Abschnitt angeordneten, und einen geringeren Durchmesser als dieser aufweisenden

V) Abschnitt ein scheibenförmiger, durchbohrter Hitzereflektor aufgesteckt ist, dessen Normale zur Bootsachse geneigt ist und daß das offene Ende des Abschnitts, welcher den geringen Durchmesser hat, mit einem die Hitze abstrahlenden, zur Bootsachse koaxial angeord-

M) heten Körper verschlossen ist.

Die koaxiale Anordnung der beiden Abschnitte des Schiffchens erleichtert es, eine radiale, thermische Symmetrie zur Kristallwachstumsachse sicherzustellen und damit die erwünschte Wachstumsrichtung entlang

μ der horizontalen Achse des Schiffchens einzuhalten. Der Gewährleistung der radialen thermischen Symmetrie dient auch der Hitzereflektor, der diese Symmetrie speziell in dem Bereich des Bootes sicherstellt, in dem

sich der erste Abschnitt zum dritten Abschnitt verjüngt und in dem das Kristallwachstum seinen Anfang nimmt Der Hitze abstrahlende Körper gibt der fest-flüssigen Grenzfläche eine konvexe Ausbildung in Richtung auf die Schmelze. Die beiden genannten Vorrichtungen erleichtern die Kontrolle des Kristaiiwachstums und verhindern insbesondere polykristallines Wachstum.

Es ist vorteilhaft, wenn der Hitze abstrahlende Körper aus Quarzglas hergestellt ist und seine Enden flammenpo'i irt sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich vorteilhaft anwenden, wenn die beiden Komponenten des Halbleitermaterials aus Gallium und Arsen gebildet werden.

Die Erfindung wird anhand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht des Züchtungsbootes,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch das Züchtungsboot, durch das Quarzrohr, in das das Boot eingeschmolzen ist, und durch den Zweizonenofen,

F i g. 3 einen Ausschnitt aus dem Züchtungsboot im Längsschnitt, der die Schmelze, den Keimkristall, den Hitzereflektor und den wärmeabstrahlenden Körper erkennen läßt und

F i g. 4 einen der F i g. 3 entsprechenden Ausschnitt aus dem Züchtungsboot von oben gesehen, in dem Pfeile die Richtung des Wärmeflusses veranschaulichen

Die F i g. 1 zeigt eine spezielle Ausführung des Bootes für die Züchtung von Halbleiterkristallen. Der halbzylindrische, zur Aufnahme der Schmelze bestimmte Abschnitt 1 verjüngt sich im Abschnitt 2 koaxial zum Abschnitt 3, der auch halbzylindrisch ausgebildet ist. Der Abschnitt 3 dient zur Aufnahme des Keimkristalls.

Ein scheibenförmiger, durchbohrter Hitzereflektor 4, der über den Abschnitt 3 geschoben ist und dessen Normale zur Bootsachse geneigt ist, befindet sich bei der Mitte von Keimkristall 5. Der Hitzereflektor 4 hat, wie die Fig.4 ill'istriert, die Aufgabe, vom Abschnitt 2 abgestrahlte Wärme zu diesem zurückzureflektieren und dadurch Wärmeverluste an dem konischen Abschnitt 2 zu verhindern. Die daraus resultierende Temperaturstabilisierung verhindert lokale, kalte Stellen, die polykristalline Kristallisation begünstigen würden und dadurch eine Qualitätsverminderung des fertigen Kristalls und infolgedessen eine verminderte Ausbeute verursachen wurden.

Der wärmeabstrahlende Körper 6 besteht aus einem glatten, nicht sandgestrahlten Quarzglaszylinder, mit flammenpolierten Enden. Dieser Quarzzylinder strahlt Wärme in Richtung der Bootsachse in den kälteren Abschnitt des Ofens ab. Einzelheiten werden im Zusammenhang mit F i g. 2 erklärt. Die durch die beschriebene Ausstattung des Boots gewährleistete, radiale, thermische Symmetrie sorgt dafür, daß der Kristall entlang der Bootsachse wächst, ohne davon wesentlich abzuweichen.

Die F i g. 2 zeigt das Züchtungsboot in einem geschlossenen Rohr, das seinerseits in einem Zwei-Zonen-Ofen liegt. Die heiße Zone wird auf einer Temperatur gehalten, bei der einerseits das Halbleitermaterial geschmolzen ist und andererseits eine flüssigfeste Grenzfläche an der Stelle 9 zwischen dem geschmolzenen Material 8 und dem Keimkristall 5 sich bildet und erhalten bleibt.

Die fest-flüssige Grenzfläche an der Stelle 9 hat eine leicht konvexe Ausbildung in Richtung der Schmelze. Diese Ausbildung der Grenzfläche rührt her von dem relativ hohen Hitzeabfluß in der Rohrachse im Verhältnis zur radialen Abstrahlung. Die Pfeile 10 und 11 in der F ί g. 4 soller' die Verhältnisse verdeutlichen. Wäre die radiale Ab&trahlung relativ höher als die axiale, würde sich eine in Richtung der Schmelze konkave Ausbildung der Grenzfläche ergeben, was sich nachteilig auf die Züchtung von weitgehend defektfreien Kristallen auswirken würde.

Im folgenden wird die beschriebene Kristallzüchtungsanordnung bei ihrer Verwendung für das Züchten

ίο von dotierten oder undotierten Galliumarsenid-Einkristallen näher erläutert.

Allgemein gesprochen läßt man stöchiometrische Mengen von Gallium und Arsen in einem geschlossenen Rohr, das einem Temperaturgradient zwischen etwa 614

ίο und etwa 1240°C ausgesetzt wird, miteinander reagieren. Arsen verdampft bei 614° C und bei 1240⁰C bildet sich eine fest-flüssige Grenzfläche im Galliumarsenid aus.
Zur Züchtung wird ein Zwei-Zonen-Ofen, wie ihn die Fig. 1 zeigt, mit einer kalten Zone 12 und einer heißen Zone 13, die voneinander durch eine Isolation 14 getrennt sind, benutzt. Eine bestimmte Menge Gallium und die gewünschte Menge des Dotierungsstoffs werden in den Abschnitt 1 des Züchtungsboots

_>-> eingefüllt und ein vorbereiteter Keimkristall mit der gewünschten kristallographischen Orientierung zur Kristallachse wird in den Abschnitt 3 des Züchtungsboots gelegt. Anschließend wird das Züchtungsboot und eine so große Menge Arsen, daß nach der vollständigen

ίο Umsetzung mit der Galliummenge zu Galliumarsenid noch so viel Arsen im Überschuß vorhanden ist, daß bei 1 Atmosphäre Druck, d.h. bei etwa 614°C noch kondensierte Arsenphase übrig bleibt, in ein einseitig geschlossenes Quarzrohr 7 gebracht.

Γ) Anschließend wird ein Stück einseitig geschlossenes Quarzrohr 15 in das Quarzrohr 7 eingeschoben, dann wird auf 10~⁶Torr evakuiert und schließlich an der Stelle, wo sich das Rohr 15 befindet, abgeschmolzen. Rohr 7 wird nun in den Ofen geschoben, auf thermisches

4» Gleichgewicht gebracht und so positioniert, daß das dotierte Gallium sich in der heißen Zone befindet und geschmolzen gehalten wird. Hat das Arsen mit dem Gallium reagiert, so bildet sich die flüssig-feste Grenzfläche zwischen dem geschmolzenen Galliumar-

■»■> senid und dem Keimkristall an der Stelle im Ofen aus, die etwa 1240°C heiß ist.

Das Rohr 7 wird nun mit der gewünschten Kristallziehgeschwindigkeit in Richtung der kalten Zone bewegt. Dabei bleibt die flüssig-feste Grenzfläche

v) am 1240° C-Punkt stehen, oder mit anderen Worten, die Schmelze kristallisiert in horizontaler Richtung, wobei sich die flüssig-feste Grenzfläche vom Keimkristall wegbewegt. Ist die Schmelze vollständig in den kristallinen Zustand übergegangen, läßt man das Rohr 7

v, langsam auf Raumtemperatur abkühlen, um einen thermischen Schock zu vermeiden. Dann wird das Rohr geöffnet und das Züchtungsboot mit dem Einkristall wird herausgeholt.

Mit dem bekannten Verfahrer, der Galliumarsenid-

wi Einkristallherstellung wurde eine zehnprozentige Ausbeute an brauchbaren Einkristallen erzielt. Die Ausbeute mit dem beschriebenen Verfahren beträgt, mehr als 60%. Gleichzeitig wurde eine wesentlich bessere Reproduzierbarkeit des gewünschten Kristallorientie-

ιλ rung in bezug auf die Kristallachse mit dem beschriebenen Züchtungsboot erreicht. Außerdem waren die Abmessungen der aus den Kristallen hergestellten Blättchen so reDroduzierbar. wie es die in der

Produktion eingesetzten Geräte und damit ein rationeller Herstellungsprozeß verlangen.

Es soll noch angemerkt werden, daß der Querschnitt des Züchtungsbootes nicht notwendigerweise halbzylindrisch sein muß.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schiffchen zum Züchten von Halbleitereinkristallen nach dem horizontalen Bridgman-Verfahren, das einen ersten zur Aufnahme des Halbleitermaterials bestimmten Abschnitt aufweist, welcher am einen Ende nach Art eines Bootsbugs geformt und am anderen Ende zu einem nach oben offenen Abschnitt zur Aufnahme des Keimkristalls verjüngt ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf diesem koaxial zum ersten Abschnitt (1) angeordneten Abschnitt (3) ein scheibenförmiger, durchbohrter Hitzereflektor (4) aufgesteckt ist, dessen Normale zur Bootsachse geneigt ist und daß das offene Ende des Abschnittes (3) mit einem die Hitze abstrahlenden, zur Bootsachse koaxial angeordneten Körper (6) verschlossen ist

2. Schiffchen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (J) und (3) halbzylindrisch und der Wärme abstrahlende Körper (6) zylindrisch ausgebildet sind.

3. Schiffchen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärme abstrahlende Körper (6) aus Quarzglas hergestellt ist und seine Enden flammenpoliert sind.