DE2358300B2 - Vorrichtung zum senkrechten halten eines halbleiterkristallstabes beim tiegelfreien zonenschmelzen - Google Patents

Description

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft eine Vorrichtung zum senkrechten Haltern eins an seinem unteren Ende mit einem angeschmolzenen Keimkristall versehenen Halbleiterkristallstabes an beiden Enden beim tiegellosen Zonenschmelzen mit einer Einrichtung zum Abstützen des den Keimkristall enthaltenden Stabendes an einer von der Schmelzzone durchlaufenen Stelle.

Halbleiterkristalle, insbesondere aus Silicium, werden durch das tiegelfreie Zonenschmelzen hergestellt, indem an einem Ende eines stabförmigen polykristallinen Halbleiterkörpers ein einkristalliner Keimkristall mit geringerem Durchmesser als dem des Halbleiterkörpers ζ. B. mit Hilfe einer Induktionsheizspule angeschmolzen wird. Anschließend werden — ausgehend von der Schmelzstelle — eine oder mehrere mittels derselben oder einer anderen Induktionsheizspule erzeugte Schmelzzonen durch den stabförmigen Halbleiterkörper bewegt. Hierdurch läßt sich sowohl eine Reinigung des Halbleiterkörpers von Fremdstoffen als auch eine Umwandlung in einen Einkristall erreichen.

Zur Herstellung von Halbleiterbauelementen ist es erforderlich, daß das Halbleitermaterial möglichst frei von Versetzungen ist, da die Versetzungen die elektrischen Eigenschaften des aus ihm hergestellten Halbleiterbauelements erheblich stören können. Außerdem verringern die Versetzungen die Lebensdauer der Minoritsträger im Halbleitermaterial.

Aus der DT-AS 10 79 593 ist es bekannt, die an der Anschmelzstelle des Keimkristalls am stabförmigen Halbleiterkörper im letzteren entstehenden Versetzungen dadurch zu verringern, daß vor dem letzten Durchgang der Schmelzzone durch den Halbleiterstab dessen Querschnitt in unmittelbarer Nähe der Verschmelzungsstelle mit dem Keimkristall verengt wird. In dem dadurch entstandenen dünnen Verbindungsstück zwischen Keimkristall und Halbleiterstab können im Impfling vorhandene Versetzungen ausheilen.

Nach der DT-PS 1128 413 werden z.B. völlig versetzungsfreie stabförmige Siliciumeinkristalle dadurch hergestellt, daß beim tiegelfreien Zonenschmelzen mit mehrfachem Durchlauf der Schmelzzone durch einen senkrecht stehenden, an seinen Enden gehalterten Siliciumstab, an dessen unteren Ende ein einstristalliner Keimkristall mit einem wesentlich geringeren Querschnitt als der Siliciumstab angeschmolzen wird, daß alle Durchgänge der Schmelzzone im Keimkristall beginnen und daß die Wanderurgsgeschwindigkeit der Schmelzzone im Keimkristall zwischen 7 und 15 mm/Min gewählt wird. Beim letzten Schmelzzonendurchgang werden der Siliciumstabquerschnitt an der Übergangsstelle vom Keimkristall zum Siliciumstab durch zeitweiliges Auseinanderbewegen der Stabenden mit einer Geschwindigkeit größer als 25 mm/Min, eingeschnürt und die Geschwindigkeit der Schmelzzone vor dieser Einschnürungsstelle aus bis zum Erreichen des vollen Querschnitts des Siliciumstabes stetig vermindert. Schließlich wird die Schmelzzone mit einer Geschwindigkeit kleiner als 7 mm/Min, durch den Siliciumstab hindurchgezogen.

Es hat sich gezeigt, daß beim Herstellen einkristalliner Halbleiterstäbe mit größerem Durchmesser durch tiegelfreies Zonenschmelzen der beim letzten Zonendurchgang am Keimkristall anwachsende stabförmige Einkristall, insbesondere wegen des dünnen Verbindungsstücks zwischen ihm und dem Keimkristall, zu Schwingungen neigt. Dies ist besonders dann der Fall, wenn dicke einkristalline Halbleiterstäbe, ζ. Β. durch Aufstauchen beim tiegelfreien Zonenschmelzen, hergestellt werden sollen. Diese Schwingungen sind die Ursache für die Ausbildung vor Versetzungen und Störungen des Einkristalls das während des letzten Zonendurchganges durch den Halbleiterstab aus der Schmelzzone erstarrenden Materials. Häufig führen diese Schwingungen sogar zum Abtropfen der Schmelze aus der Schmelzzone und gar zum Durchbrechen des dünnen Verbindungsstückes zwischen Keimkristall und Halbleiterstab und damit zum Unterbrechen des Zonenschmelzvorganges.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das bekannte Zonenschmelzen zu verbessern und die Ausbildung dieser Schwingungen während des letzten Schmeizzonendurchgangs durch den Halbleiterkristallstab zu verhindern.

Zwar ist aus der DT-OS 15 19 901 bekannt, beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes, an dessen einem Ende ein Keimkristall angeschmolzen ist, dieses Stabende durch Stützer abzustützen, die sich am Rand einer in axialer Richtung verschiebbaren Hülse befinden, welche die Halterung mit dem Keimkristall umschließt. Doch wird durch diese Anordnung das Problem der Vermeidung von Vibrationen beim Ziehen vor sehr dicken (Durchmesser größer als 30 mm) versetzungsfreien Halbleiterkristallstäben nicht zufriedenstellend gelöst, weil die Stützer den nicht überall runden Konus de^ Stabes nicht gleichmäßig berühren. Wegen dieser Instabilität kommt es oft zu zusätzlichen Schwingungen die dem Abstützeffekt entgegenwirken und ihn sogar aufheben.

Die Erfindung beschreitet einen anderen Weg und löst die gestellte Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch, daß die Einrichtung zum Abstützen aus einer mit Halterune des Keimkri-

stalls gekoppelten, axial verschiebbaren und drehbaren, in ihrer höchsten Lage den über dem Keimkrisiall liegenden Konusbereich des Stabes umschließenden, mit Stützmaterial gefüllten oder nn ihrem oberen Rand mit aus reinstem Metall bestehenden, bei der Berührung ■> mit dem Stab im Konusbereich unter Bildung eines eutektischen Gemisches verschmelzenden Einsätzen versehenen Trichterhülse besteht.

Dabei ist in einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgesehen, als Stützmaterial körniges Silicium, Quarzsand oder flüssig in die Trichterhülse gefülltes und erstarrtes Metall, vorzugsweise Blei oder Indium, zu verwenden. Die Füllung kann aber auch aus einer Schüttung von Metallkugeln in dichtester Kugelpakkung bestehen.

Durch das Einfüllen von körnigem Silicium, Quarzsand oder Metall erfolgt eine zuverlässige und einfach realisierende Arretierung, die das Auftreten von Schwingungen beim Ziehen von versetzungsfreien Kiistallstäben mit unterliegendem Keimkristall verhindert.

Gemäß einem anderen, besonders günstigen Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung ist vorgesehen, Einsätze aus Aluminium anzubringen, welche durch Berührung mit dem warmen Stab im Konusbereich unter Bildung eines eutektischen Gemisches verschmelzen. Durch diese Anordnung wird gegenüber der aus der DT-OS 15 19 901 bekannten Anordnung erreicht, daß beim Anlegieren alle Unebenheiten am Stabumfang ausgeglichen werden.

Die Abstützung durch die hochgeschobene Trichterhülse wird vorgenommen, wenn die durch den Stab wandernde Schmelzzone mindestens 10 cm von der in ihrer höchsten Lage gebrachten Trichterhülse entfernt ist.

Die Erfindung und ihre Vorteile sollen anhand von Ausführungsbeispielen und der in der Zeichnung befindlichen Fig. 1—3 noch näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt im Schnittbild im Bereich der unteren Stabhalterung schematisch die neue Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines Halbleiterkristallstabes vor dem Abstützen des Stabendes, während die

F i g. 2 und 3 die Anordnung während des Abstützens darstellen.

In F i g. 1 ist ein einkristalliner Keimkristall 2 in einer Halterung 3 befestigt. Der Keimkristall 2 ist mit dem unteren Ende eines Halbleiterkristallstabes 4, z. B. aus Silicium, verbunden. Eine mittels einer Induktionsheizspule 5 hergestellte Schmelzzone 6 wird auf Grund einer Relativbewegung zwischen dem Halbleiterkristallstab 4 und der Induktionsheizspule 5 in axialer Richtung durch den Halbleiterkristallstab 4, ausgehend von der Anschmelzstelle des Keimkristalles 2, hindurchbewegt. Eine Trichterhülse 7 aus Titan, Silicium oder Graphit umschließt die Stabhalterung 3 und ist durch von außen einwirkende Antriebsmittel (in der Zeichnung nicht dargestellt) relativ zur Stabhalterung 3 in axialer Richtung verschiebbar ausgebildet. Bei der Drehung der Stabhalterung 3 wird die Trichterhülse 7 mitgedreht. Die Trichterhülse 7 ruht auf einem Zapfen 8, der an einer innerhalb der Stabhalterung 3 angeordneten, in axialer Richtung bewegbaren Stange 9 angebracht ist und sich in einem Führungsschlitz 10 in der .Stabhalterung 3 befindet. Mit dem Bezugszeichen 11 ist der Bodenteil der für das tiegelfrei« Zonenschmelzen vorgesehenen Kammer bezeichnet. Die notwendigen Abdichtungen sind der Übersichtlichkeit wegen in der Zeichnung nicht dargestellt.

F i g. 1 zeigt den Schmelzzonendurchgang vor dem Abstützen des Stabendes, das am dünnen, zuvor durch Aufschmelzen der Verschmelzungsstelle zwischen dem Halbleiterkristallstab 4 und dem Keimkristall 2 und Entfernen derselben voneinander in axialer Richtung erzeugten Verbindungsstück 12, der sogenannten flaschenhalsförmigen Verengung, einkristallin und versetzungsfrei angewachsen iszt. Da sowohl der Halbleiterkristallstab 4 als auch der Keimkristall 2 Drehungen um ihre Achse ausführen, besteht die Gefahr, daß das an der flaschenhalsförmigen Verengung 12 angewachsene Ende des Halbleiterkristallstabes 4 zu schwingen beginnt, wenn die Schmelzzone 6 sich zu weit von der Anschmelzstelle zwischen Keimkristall 2 und Halbleiterkristallstab 4 entfernt hat.

Bei Siliciumstäben von etwa 40 mm Durchmesser ist dies z. B. der Fall, wenn die Schmelzzone etwa 70 cm vom dünnen Verbindungsstück 12 entfernt ist. Die Schwingungsamplituden werden oft so groß, daß man den Ziehvorgang unterbrechen muß.

Bevor die Schmelzzone 6 die für das Ausftreten der Schwingungen kritische Entfernung von der flaschenhalsförmigen Verengung 12 erreicht hat, wird die Trichterhülse 7 mit Hilfe der Stange 9 so weit nach oben geschoben, daß sie den über dem Keimkristall 2 liegenden Konusbereich des Halbleiterkristallstabes 4 — wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt wird — umschließt. Durch das Einfüllen der Stabilisierungsmittel in die Trichterhülse 7 beginnt dann der Abstützvorgang.

Fig. 2 zeigt als Abstützmittel eine mit Quarzsand 13 mittels eines Einfüllrohres 14 gefüllte Trichterhülse 7. An Stelle von Quarzsand 13 kann auch körniges Silicium, Stahlkugeln, oder L<uch flüssiges Blei oder Indium, das in der Trichterhülse 7 erstarrt, verwendet werden. Wie aus Fig.2 zu ersehen ist, können keine Schwingungen des auf der flaschenhalsförmigen Verengung 2 sitzenden Halbleiterkristallstabes 4 mehr entstehen. Der an den Keimkristall 2 und die flaschenhalsförmige Verengung 12 anschließende untere Stabteil 4 ist bereits so kalt, daß keine Versetzungsbildung mehr erfolgt. Es gelten die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1.

F i g. 3 zeigt eine andere Lösung des Abstützungsproblems. Hier sind am Innenrand der Trichterhülse 7 Einsätze 15 aus reinstem Aluminium mittels Halterungen 16 angebracht, die beim Hochschieben der Trichterhülse 7 den Konus des Stabes 4 sanft berühren und mit dem noch heißen Halbleitermaterial, ζ. Β. Silicium, legieren. Während die Schmelzzone weiter nach oben wandert, kühlt sich der legierte Bereich am Stabumfang ab und es bildet sich eine feste Verbindung aus, die die Vibrationen verhindert. Bei dieser Anordnung ist es wichtig, daß die Temperatur des Berührungspunktes richtig gewählt wird. Für die Mbrigen Bezugszeichen gilt das gleiche wie bei der Beschreibung zu den F i g. 1 und 2.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum senkrechten Haltern eines an seinem unteren Ende mit einem angeschmolzenen Keimkristall versehenen Halbleiterkristallstabe? an beiden Enden beim tiegellosen Zonenschmelzen mit einer Einrichtung zum Abstützen des ti cimkristall enthaltenden Stabendes an eiin von der Schmelzzone durchlaufenen Stelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Abstützen aus einer mit der Halterung des Keimkristalls gekoppelte, axial verschiebbare und drehbare, in ihrer höchsten Lage den über dem Keimkristall liegenden Korushereich des Stabes umschließende, mit Stützmaterial gefüllte oder an ihrem oberen Rand mit aus reinstem Metall bestehenden, bei der Berührung mit dem Stab im Konusbereich unter Bildung eines eutektische!! Gemisches verschmelzenden Einsätzen versehenen Trichterhülse besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützmaterial aus Quarzsand oder körnigem Silicium oder flüssig in die Trichterhülse gefülltem und erstarrtem Metall oder aus Metallkugeln in dichtester Kugelpackung besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze aus Aluminium bestehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trichterhülse aus Titan, Stahl, Silicium oder Graphit besteht.