DE2621418C2

DE2621418C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Dotieren von Halbleiterplättchen

Info

Publication number: DE2621418C2
Application number: DE2621418A
Authority: DE
Inventors: John Kwadwo Auburn N.Y. Boah
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-05-19
Filing date: 1976-05-14
Publication date: 1981-12-17
Also published as: SE416597B; NL7605260A; DE2621418A1; GB1545113A; JPS51140803A; SE7605678L; FR2312112A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dotieren von Halbleiterplättchen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein solches Verfahren zur Dotierung von Halbleitern ist als Zonenschmelzen mit Temperaturgradient bekannt und zeichnet sich vor allem durch die Ausbildung sehr scharf begrenzter Übergänge zwischen unterschiedlich dotierten Halbleiterbereichen bei hoher Konzentration des Dotiermaterials aus. Darüber hinaus lassen sich mit diesem Verfahren dotierte Bereiche ausbilden, in denen das Dotiermaterial mit dem Grenzwert seiner Löslichkeit im festen Zustand enthalten ist. Ein weiterer Vorteil des Zonenschmelzens mit Temperaturgradient besteht in der Möglichkeit, dotierte Bereiche mit beliebiger räumlicher Gestalt auszubilden.

Aus der DE-OS 24 50 929 ist ein Verfahren zur Dotierung eines Halbleiterplättchens durch Zonenschmelzen mit Temperaturgradient bekannt, bei dem das Halbleiterplättchen mit Hilfe eines Elektronenstrahls erhitzt wird. Bei dieser Art der Erwärmung des Halbleiterplättchens ist jedoch die Richtung und die ίο Gleichförmigkeit des Temperaturgradienten vor allem bei Erwärmung eines größeren Halbleiterbereichs nicht zufriedenstellend, wodurch sich der Nachteil eines vom gewünschten Dotierprofil abweichenden Dotierprofilverlaufs ergeben kann.

Ferner ist aus »Journal of Physics Ε.«, Band 7, Nr. 4 (April 1974), Seiten 245, 246, ein Zonenschmelzverfahren bekannt, bei dem eine vollständig geschmolzene Zone durch einen Halbleiterkörper zur Erzeugung von Einkristallen hindurchwandert. Die Erwärmung des Haibleiterkörpers erfolgt hierbei von zwei gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterkörpers her, wobei Strahlungsenergie auf eng begrenzte Bereiche des Halbleiterkörpers fokussiert wird. Das bekannte Verfahren eignet sich nur für relativ tiefe Temperaturen von bis zu 500⁰C, was für Zonenschmelzen mit Temperaturgradient nicht ausreichend ist

Darüber hinaus ist aus der DE-OS 20 54 828 ein Verfahren zur chemischen Bedampfung einer Unterlage, die in Strahlung einer kurzen Wellenlänge absorbierendes Material wie beispielsweise Graphit eingebettet ist, bekannt Das Einbettungsmaterial wird durch kurzwellige Strahlung aufgeheizt und erwärmt dabei seinerseits die eingebettete Unterlage durch Wärmeübergang. Für Zonenschmelzen mit Tempera turgradient ist dieses Verfahren allerdings nicht geeignet da sich hierbei kein gezieltes Temperatürprofil

ausbilden läßt und die Dotierung des Halbleiterkörpers durch das Einbettungsmaterial veriüscht würde.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein

Verfahren und eine Vorrichtung zum Dotieren von Halbleiterplättchen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, mit deren Hilfe ein Temperaturgradient mit äußerst gleichförmigem Verlauf erzielbar ist

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 7 genannten Merkmalen gelöst

Durch die erfindungsgemäße Erhitzung des Halbleiterplättchens mittels einer stark dispergierten IR- Strahlung läßt sich dieses schnell und äußerst gleichförmig auf sehr hohe Temperaturen aufheizen, so daß der Zonenschmelzvorgang sehr rasch vonstatten geht

Darüber hinaus verursacht die Infrarotbeheizung vorteilhafterweise keine Verunreinigungen bei der Dotierung.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Heizgerät mit einer Arbeitskammer vorgesehen, in der eine eine geringe thermische Masse aufweisende Trägereinrichtung für das Halbleiterplättchen derart angeordnet ist, daß sie äußerst geringen Flächenkontakt mit dem gehalterten Halbleiterplättchen aufweist Eine Strahlungsquelle zur Erzeugung stark dispergierter Infrarotstrahlung ist optisch mit der Arbeitskammer gekoppelt.

Für das Zonenschmelzen mit Temperaturgradient wird ein Dotiermaterial entsprechend dem gewünschten Leitfähigkeitstyp gewählt und in einem vorgewählten Verteilungsmuster auf eine Oberfläche des Halb-

leiterplättchens aufgebracht Anschließend wird dieses derart in dem Heizgerät auf der Trägereinrichtung angeordnet, daß seine dem Verteilungsmuster gegenüberliegende Oberfläche beim Einschalten der Strahlungsquelle bestrahlt wird. Die Infrarotstrahlung bewirkt eine Erhitzung der bestrahlten Oberfläche, wobei die Wärme durch das Halbleiterplättchen wandert und sich dabei ein Temperaturgradient ausbildet Damit wandert das Dotiermaterial durch Zonenschmelzen mit Temperaturgradient durch das Halbleiterplättchen und läßt auf seinem Wege einen Bereich aus rekristallisiertem Material zurück, der mit dem Dotiermaterial bis zur Grenze der Löslichkeit im festen Zustand (Mischkristallbildung) dotiert ist.

Zur Erzeugung der Infrarotstrahlung können geeignete Infrarotlampen gewählt werden, die praktisch sofort ansprechen und zum Beispiel ein Siliziumplättchen mit einer Dicke von 250 μπι von Raumtemperatur auf 1000⁰C in weniger als einer Minute erhitzen können, wobei ihre Strahlungsenergieabgabe innerhalb von 2 Sekunden nach Abschalten der Stromzufuhr auf weniger als 20% absinkt so daß das Zonenschmelzverfahren sehr gut steuerbar ist Zudem werden bei Verwendung von Infrarotstrahlung zur Erhitzung die Trägereinrichtung und die umgebenden Materialien nicht direkt erhitzt so daß das Verfahren energiesparend ist und sich durch gute Anwendbarkeit und Steuerbarkeit auszeichnet. Darüber hinaus können Infrarot-Quarzlampen verwendet werden, die billig sind und eine hohe Lebensdauer aufweisen.

Zur Verbesserung seiner Leistungsfähigkeit kann dieses Verfahren in mehrfacher Hinsicht weiter ausgestaltet werden. So kann zum Beispiel der im Halbleiterplättchen ausgebildete Temperaturgradient noch gleichförmiger und in einer Richtung ausgerichtet gehalten werden, wenn von der Oberfläche des Halbleiterplättchens, welche der mit der Infrarotstrahlung beaufschlagten Oberfläche gegenüberliegt Wärme abgeführt * ird.

Eine weitere Verbesserung kann dadurch erhalten werden, daß das Verfahren in einer abgsschlossenen Atmosphäre durchgeführt wird, um den potentiellen Abkühlungseffekt eines durch die Arbeitskammer strömenden Gases zu beseitigen.

Weiterhin wurde festgestellt, daß sich Qualität und Ausbeute der bei Anwendung des Verfahrens erhaltenen Halbleiterbauelemente stark steigern lassen, wenn gewährleistet ist daß die Schmelze des Dotiermaterials das Halbleitermaterial vor Beginn der Thermowanderung gleichförmig benetzt. Eine gleichförmige Benet- so zung kann dadurch erreicht werden, daß das Dotiermaterial mit dem Halbleitermaterial legiert wird. Wenn das Dotiermaterial nur auf einen kleinen Teil der Oberfläche des Halbleiterplättchens aufgebracht werden soll, kann dieses an der betreffenden Stelle mit einer Nut versehen werden.

Ferner wurde festgestellt, daß das Verfahren sehr effektiv ist wenn die Oberfläche des Halbleiterplättchens, auf die das Dotiermaterial aufgebracht ist, in der 111-K.ristallebene liegt. Wird das Dotiermaterial in Form von geraden Linien aufgebracht, sollten diese Linien vorzugsweise möglichst weitgehend in der 110-Kristallebene verlaufen.

Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Zonenschmelzverfahrens mit Temperaturgradient be· steht darin, daß es eine starke Dotierung des Halbleiterplättchens bis zur Grenze der Löslichkeit im festen Zustand für das ausgewählte Dotiermaterial gestattet Es können jedoch auch niedrigere Dotierungsgrade erreicht werden, indem das Dotiermaterial mit einem Trägermaterial, beispielsweise mit Platin, Gold, Indium, Zinn oder Silber gemischt wird, das nur eine geringe Auswirkung auf die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials besitzt. Auf diese Weise läßt sich ein niedrigerer Dotierungsgrad erreichen, da viele der vom Halbleitermaterial aufgenommenen Störstoffatome aus dem Trägermaterial bestehen, welches die Leitfähigkeit nicht verändert

Bekanntermaßen ist die Löslichkeit eines Materials in einem anderen Material im festen Zustand temperaturabhängig. Daher kann eine gewisse Steuerung des endgültigen Dotierungsgrades dadurch erfolgen, daß die bei der Durchführung des Verfahrens verwendete Temperatur durch Veränderung des Abstandes zwischen den IR-Lampen und dem Halbleiterplättchen oder der Leistungsabgabe der IR-Lampen verändert werden.

Darüber hinaus kann man zan Beispie! das Dotiermaterial vollständig durch das Halbleiterplättchen hindurchwandern lassen oder die Durchführung des Verfahrens kann derart beendet werden, daß das Dotiermaterial erstarrt im Inneren des Halbleiterplättchens verbleibt und der dotierte Bereich sich nur teilweise durch das Halbleiterplättchen erstreckt Eine weitere Alternative besteht darin, das Dotiermaterial teilweise durch das Halbleiterplättchen hindurchwandern zu lassen und dann den Temperaturgradienten umzukehren, so daß das Dotiermaterial an derjenigen Stelle aus dem Halbleiterplättchen wieder austritt auf die es aufgebracht wurde. Damit erstreckt sich die dotierte Zone ebenfalls nur teilweise durch das Halbleiterplättchen, wobei sich das überschüssige Dotiermaterial jedoch nicht mehr im Halbleiterplättchen befindet

Bei der Vorrichtung zur Durchführung d;s erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Arbeitskammer vorzugsweise geschlossen werden, so daß das Verfahren ir. einer geschlossenen Atmosphäre durchführbar ist Es sind an der der Strahlungsquelle gegenüberliegenden Seite der Arbeitskammer Kühleinrichtungen eingebaut, um die Aufrechterhaltung eines gleichförmigen und in einer Richtung verlaufenden Temperaturgradienten zu unterstützen.

Ein Ausführungsbeispiel der Trägereinrichtung für das Halbleiterplättchen enthält zwei aufrecht stehende Elemente, die jeweils eine oder mehrere kleine dünne Tragscheiben tragen. Der Abstand zwischen den aufrecht stehenden Elementen ist derart bemessen, daß sich die Tragscheiben und das Halbleiterplättchen nur geringfügig überdecken, so daß die Tragscheiben nur mit einem kleinen Bereich des Halbleiterplättchens in Berührung stehen. Wenn jedes der aufrecht stehenden Elemente eine Vielzahl von Tragscheiben enthält Iä3t sich die Höhe des gehalterten Halbleiterplättchens (und damit sein Abstand von den IR-Lampen) leicht ändern, so daß die Obeiilächentemperatur des Halbleiterplättchens auf einfache Weise einstellbar ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Träg2reinrichtung umfaßt zumindest drei aufrechte Tiagteile, die eine geringe thermische Masse besitzen und derart angeordnet sind, daß sie in einem Bereich liegen, dessen Abmessungen geringfügig kleiner sind als die Abmessungen des zu stützenden Halbleiterplättchens. Daher erfolgt der Kontakt mit dem Halbleiterplättchen nur an wenigen Punkten, die alle in der Nähe seines Randes liegen. Auf diese Weise lassen sich Unregelmäßigkeiten

des Temperaturgradienten auf einem Minimum halten. Die Tragteile können hierbei zum Beispiel aus Quarz oder Metalldraht bestehen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 eine Schrägansicht eines Halbleiterplättchens mit in einem geeigneten Verteilungsmuster aufgebrachten Dotiermaterial,

Fig.2 eine Schnittansicht eines Bereiches des Halbleiterplättchens gemäß Fig. 1 in umgekehrter Lage,

F i g. 3 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Heizvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,

Fig.4 eine Schrägansicht der Heizvorrichtung gemäß F i g. 3,

Fig.5 eine Schnittansicht einer für die Heizvorrichtung geitiäu F i g. 4 ausgelegten Endkappe,

Fig.6 ein Ausführungsbeispiel einer Trägereinrichtung für das Halbleiterplättchen, die in Verbindung mit der Heizvorrichtung gemäß F i g. 3 Verwendung finden kann,

Fig. 7 eine Schrägansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Trägereinrichtung für das Halbleiterplättchen, die aufrecht stehende Tragteile aus Quarz aufweist,

Fig.8 eine Schrägansicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels der Trägereinrichtung gemäß Fig. 7,

Fig.9 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Trägereinrichtung,

Fig. 10 eine Schrägansicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels der Trägereinrichtung gemäß Fig. 9,

Fig. 11 das Halbleiterplättchen gemäß Fig. 2 während der Durchführung des Dotierverfahrens, d. h. nach Beginn der thermischen Wanderung,

Fig. 12 das Halbleiterplättchen gemäß Fig. 11 nach vollständiger Wanderung des Dotiermaterials durch das Halbleiterplättchen,

F^;g. 13 das Halbleiterplättchen gemäß Fig. 2 nach Durchführung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Verfahren, bei dem der Temperaturgradient während der Wanderung umgekehrt wird und das Dotiermaterial zurückwandert und aus der Oberfläche austritt, auf die es aufgebracht wurde.

Fig. 14 eine Schnittansicht eines Teils eines Halbleiterplättchens mit einer Vielzahl hindurchgewanderter Leiter aus Dotiermaterial,

Fig. 15 das Halbleiterplättchen gemäß Fig. 14 nach einem anschließenden Verfahrensschritt,

Fig. 16 das Halbleiterplättchen gemäß Fig. 14 nach einem weiteren Verfahrensschritt und

Fig. 17 eine Schnittansicht eines nach dem Verfahren gemäß den Fig. 14 bis 16 hergesHlten Thyristors.

In F i g. 1 und 2 ist ein Körper 21 aus Halbleitermaterial gezeigt. Das Halbleitermaterial kann Silizium, Germanium, Siliziumcarbid, Galliumarsenid, eine Verbindung eines Elementes der Gruppe Il und eines Elementes der Gruppe Vl oder eine Verbindung eines Elementes der Gruppe III und eines Elementes der Gruppe V sein. Im folgenden sei beispielsweise angenommen, daß der Körper als Plättchen 21 aus Silizium des Leitfähigkeitstyps π ausgeführt sei, das eine erste Oberfläche 22 und eine zweite Oberfläche 23

.'" oesitzi, wie uies aus r ι g. t ucutiicn crsiciiiiicn im. lyas Plättchen 21 ist dabei in Fig. 2 mit umgekehrter Orientierung im Vergleich zu F i g. 1 dargestellt, da es sich während der thermischen Wanderung in dieser umgekehrten Lage befindet.

Im allgemeinen ist der dem Plättchen 21 durch vorhergehende Dotierung verliehene Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zu dem des Dotiermaterials, das mittels thermischer Wanderung in das Plättchen 21 eingebracht werden .eil.

Im ersten Schritt wird auf der Oberfläche 22 in einem vorgewählten Verteilungsmuster Dotiermaterial aufgebracht, das dem Plättchen den gewünschten Leitfähigkeitstyp vermittelt. Dies kann z. D. Aluminium sein, das mit Silizium gut verträglich ist. Das jeweils gewählte Verteilungsmuster kann beliebige Form besitzen oder auch die gesamte Oberfläche 22 des Plättchens 21 überdecken. Gemäß F i g. 1 besteht das hier gewählte Verteilungsmuster aus einer Vielzahl von orthogonalen linearen Bereichen, welche das Plättchen 21 in ein Gittermuster aufteilen. Dabei kann das Dotiermaterial z. B. in Form einer Vielzahl von Drähten 24 und 25 aus Aluminium aufgebracht werden.

Vorzugsweise ist das Plättchen so ausgeführt, daß die Oberflächen 22 und 23 in der 111-Kristallebene liegen.

Dann sollten die linearen Aluminiumdrähte 24 vorzugsweise in der 110-Ebene liegen. Andere beispielhafte Stabilitätsverhältnisse sind in der nachstehenden Tabelle angegeben.

Piältchen-Ebene	Wanderungs	a)²)	Stabile
	richtung		Drahtrichtung
100	100		011')
		b)	OTl')
110	110		oTo')
ill	IU		OlT
		c)	10Ϊ
		110
		IfS
		211')
		121
		Eine andere

Stabile
Drahtgröße

100 μιη

100 lira
150 am

500 am

itung in der 111 -Ebene¹) 500 am

') Die Stabilität des wandernden Drahtes ist abhängig von der Ausrichtung des thermischen Gradienten bezüglich der

(100)-Achse bzw. der (llO)-Achse bzw. der (11 D-Achse. ²) Die Gruppe a ist stabiler als die Gruppe b und diese wiederum ist stabiler als die Gruppe c.

Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß die Drähte 24 und 25 in Nuten 26 in der Oberfläche 22 liegen. Die Drähte 24 und

25 sind vorzugsweise in die Oberfläche 22 in den Nuten

26 einlegiert. Das Einlegieren ist insofern vorteilhaft, da eine Schmelze vor dem Beginn der thermischen Wanderung in den Nuten gebildet wird, so daß eine gleichförmige Benetzung des Siliziums sichergestellt ist und guie Resultate erzielt werden können.

In F i g. 3 ist in schematischer Form eine Heizvorrichtung 31 zur Durchführung des Zonenschmelzens mit Temperaturgradient bei dem in den Hig. 1 und 2 dargestellten Plättchen 21 gezeigt.

Die Vorrichtung 31 enthält eine Strahlungseinrichtung 32, die eine Vielzahl von Infrarotstrahlung 34 abgebenden Infrarotlampen 33 aufweist.

Bei Verwendung von Infrarotstrahlung als Energiequelle wurde gefunden, daß bei 1250⁰C und einem Temperaturgradienten von 111" pro Zentimeter Aluminium in etwa 2—5 Minuten durch ein Plättchen mit einer Dicke von 180μπι hindurchwandert. Diese Temperaturen und Gradienten lassen sich bei Verwendung geeigneter Infrarotlampen ohne Schwierigkeiten erzielen.

Das Plättchen wird in einem Abstand von etwa 5 cm von den Lampen gehalten. Durch die Vielzahl der verwendeten Lampen erhält man ein gleichförmiges Strahlungsfeld. Die Heizvorrichtung ist in geeigneter Weise mit Spannungsquellen und Kühleinrichtungen verbunden.

Eine Arbeitskammer 36 ist vorzugsweise aus klarem Quarzglas gebildet, um den Durchtritt der Infrarotstrahlung in die Arbeitskammer zu gestatten. Das Plättchen 21 ist in der Arbeitskammer auf einer Trägereinrichtung 35 angeordnet. Vorzugsweise ist die Arbeitskammer mit abnehmbaren Endkappen 40 ausgestattet, so daß sie während des Zonenschmelzverfahrens mit Temperaturgradient abgeschlossen werden kann. Die Endkappen müssen nicht absolut luftdicht sein: sie sollten jedoch die Entstehung eines durch die Arbeitskammer hindurchtretenden Luftstroms verhindern.

Das Plättchen 21 wird auf der Trägereinrichtung 35 mit der Oberfläche 23 nach oben aufgesetzt, wobei die auf die Oberfläche 23 auftreffende Infrarotstrahlung 34 eine gleichförmige Erhitzung dieser gesamten Oberfläche bewirkt. Die durch das Plättchen fließende Wärme bewirkt die Ausbildung eines Temperaturgradienten. Der Abstand zwischen den Lampen und dem Plättchen kann zur Steuerung der Plättchentemperatur verändert werden. Bei einem Abstand von 5 cm ergibt sich eine Plättchentemperatur von etwa 1250^cC und ein Temperaturgradient von !ITC pro cm bei einer Plättchenstärke von 180 μιη.

Der Temperaturgradient läßt sich noch besser in einer Richtung ausrichten, gleichförmiger halten und in seinem Betrag etwas erhöhen, wenn ein thermisch massiver Kühlblock 37 unterhalb des Plättchens 21 vorgesehen ist, über den die Wärme von der nicht bestrahlten Oberfläche des Plättchens abgeführt wird. Jedes Material mit großer thermischer Masse eignet sich gut als Kühlblock; so kann beispielsweise ein Metall verwendet werden. Es ist zu beachten, daß keine Maßnahmen getroffen sind, um das Plättchen 21 und den Kühlblock 37 in direkten Kontakt zu bringen. Ein solcher direkter Kontakt ist für die Leistungsfähigkeit des Verfahrens nicht erforderlich und darüber hinaus auch schwierig zu erreichen, wenn sich das Plättchen während des Verfahrens leicht durchbiegt, wobei dann nur ein teilweiser Kontakt mit dem Kühlblock existiert und ein schräg verlaufender Temperaturgradient entsteht. Es können Randreflektoren 39 verwendet werden, um die Ausbreitung der Strahlen zu begrenzen, wodurch sich ein noch gleichförmigerer Verlauf des Temperaturgradienten ergibt. Vorzugsweise sind die Randreflektoren im Innern der Arbeitskammer und im allgemeinen parallel zu den z. B. aus Quarz bestehenden Infrarotlampen 33 angeordnet, so daß sie die Infrarotstrahlung in die Arbeitskammer zurückreflektieren. Es können für die exakte Ausrichtung der Randreflektoren Messungen des Strahlungspegels in der Ebene des Plättchens vorgenommen werden und hierdurch kann auch überprüft werden, ob die Arbeitskammer im Bereich des Plättchens tatsächlich gleichmäßig bestrahlt wird.

Weiterhin ist eine optische Abschirmung 38 um die Heizvorrichtung 31 herum zum Schutz des Bedienungspersonals vorgesehen. Die Abschirmung kann beispielsweise Keramiksteine umlassen, welche um die Heizvorrichtung herum aufgeschichtet werden. Nahezu jegliches Material ist hier/u geeignet, wenn es für die Infrarotstrahlung undurchlässig ist. Wenn die Arbeitskammer selbst undurchlässig ist und nur ein durchlässiges Fenster für den Eintritt der Strahlung vorgesehen ist, dann erübrigt sich die Abschirmung.

Die den Infrarotlampen zugewandte Oberfläche des Plättchens sollte so gleichmäßig wie möglich sein, um eine gleichförmige Energieabsorption zu gewährleisten. Daher ist ein Ätzen oder Polieren der Oberfläche 23 vorteilhaft. Die Absorption der Energie ist auch noch stark abhängig von der Dichte der freien Träger. Daher werden Bereiche mit hohen Dotiermaterialkonzentrationen oder metallischen Niederschlagen das Licht stark absorbieren. Die Dotierung der Oberfläche 23 steigert daher in starkem Maße den Absorptions-Wirkungsgrad des Plättchens 21 und macht weiterhin die Absorption gleichförmiger.

Fig. 4 zeigt eine Schrägansicht der Heizvorrichtung bei abgenommener Abschirmung und die gegenseitige Anordnung der Strahlungseinrichtung 32, der Arbeitskammer 36 und des Kühlblocks 37. Das Quarzrohr zur Bildung der Arbeitskammer ist langer als die Heizvorrichtung und der Kühlblock. so daß die Endkappen 40. die in F i g. 5 im Schnitt gezeigt sind, leichter angebracht werden können. Vorzugsweise werden die Endkappen vor der Inbetriebnahme der Vorrichtung in die Abschirmung eingebracht.

Anstelle der Endkappen ist auch jede andere Einrichtung zum zeitweiligen Verschließen der Arbeitskammer geeignet. Beispielsweise kann ein mit Scharnieren ausgestattetes Endteil verwendet werden. Die Verwendung der Endkappen stellt jedoch die einfachere und wirtschaftlichere Lösung dar.

Vorteilhafterweise wird bei der beschriebenen Vorrichtung nur das Plättchen 21 erhitzt und die übrigen Teile der Vorrichtung bleiben relativ kalt.

In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform der Trägereinrichtung (35-4^ gezeigt. Eine Grundplatte 42 trägt mindestens zwei aufrecht stehende Träger 43. von denen jeder eine Vielzahl von kleinen Tragscheiben 44 mit geringer Masse trägt. Die gesamte Struktur ist vorzugsweise aus einem Material wie Quarz hergestellt. Das Plättchen 21 wird von zwei der Tragscheiben 44 getragen und befindet sich nur an relativ kleinen Randbereichen mit den geringfügig überlappenden Tragscheiben 44 in Kontakt, so daß eine nur unwesentliche Beeinträchtigung der auffallenden Infrarotstrahlung 34 existiert.

Die Trägereinrichtung 35/4 kann mit zwei oder drei aufrecht stehenden Trägern 43 ausgestattet werden, so daß sich drei der Tragscheiben 44 in Kontakt mit dem Plättchen 21 befinden. In den meisten Fällen ist dies jedoch nicht erforderlich und da eine gewisse Ungleichförmigkeit der thermischen Gradienten durch den Kontakt jeder Tragscheibe verursacht wird, werden bevorzugterwere nur zwei aufrecht stehende Träger 43 verwendet, sofern dies möglich ist. Es können auch auf jedem aufrecht stehenden Träger 43 nur jeweils eine Tragscheibe 44 vorhanden sein, jedoch ist es vorteilhaft, eine Vielzahl von Tragscheiben 44 vorzusehen, um eine leichte Höhenverstellbarkeit des Plättchens 21 zu ermöglichen.

Fig. 7 zeigt eine Schrägansicht einer weiteren Ausführungsform der Trägereinrichtung (35B). Eine Grundplatte 51 trägt drei aufrecht stehende Tragteile 52, welche das Plättchen 21 an drei beanstandeten Punkten in der Nähe seines Randes abstützen. Die Grundplatte 51 und die Tragteile 52 sind vorzugsweise aus durchsichtigem Quarz hergestellt.

Da bei jeder der beschriebenen Trägereinrichtungen ein möglichst geringer Kontakt mit dem Plättchen 21 erwünscht ist, können die Stifte 52 an ihren Enden zugespitzt sein. Ein möglichst geringer Kontak; ist erwünscht, um eine Beeinträchtigung der Gleichförmigkeit des Temperaturprofils zu verhindern. Ein weiterer Vorteil bei Verwendung der Trägereinrichtung 35 besteht darin, daß keinerlei Störung der Infrarotstrahlung 34, die auf das Plättchen 21 von oben auftrifft, hervorgerufen wird.

F i g. 8 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht der Trägereinrichtung 35Ä Die Tragteile 52 sind herausnehmbar in zylindrischen Öffnungen 53 in der Grundplatte 51 gehalten, was dahingehend vorteilhaft ist, als im Falle des Bruchs eines Tragteils dieses schnell und leicht ausgetauscht werden kann. Dies ist dann wichtig, wenn relativ sprödes Quarzmaterial verwendet wird.

Aus Fig.8 ist ersichtlich, daß eine Vielzahl von Öffnungen 53 vorgesehen ist, so daß ζ. Β. bei Verwendung von neun Tragteilen drei Plättchen gleichzeitig getragen werden können. Je nach Größe der Heizvorrichtung kann die Grundplatte 51 auch länger ausgeführt sein, so daß mehr als drei Plättchen auf ihr gehaltert werden können.

F i g. 9 zeigt eine Schrägansicht einer weiteren Ausführungsform der Trägereinrichtung (35CJl Diese besteht aus Draht oder dünnem Rundstahl und enthält eine Basis 61C und drei aufrecht stehende Tragteile 62 aus Draht In ihrer Funktion entspricht die Trägereinrichtung 35C der Trägereinrichtung 35ß. Die Verbindung zwischen den aufrecht stehenden Tragteilen 62 und der Basis 61C kann auf konventionelle Weise erfolgen, beispielsweise durch Verschweißen, oder die aufrecht stehenden Tragteile 62 können auch mehrfach um die Basis gewickelt sein.

Fig. 10 zeigt eine Trägereinrichtung 35D. die der Trägereinrichtung 35 C bis auf die Ausnahme entspricht daß die Basis 61D kreisförmig und nicht dreieckförmig ist

Nach dem Einbringen des in Fig.2 gezeigten Plättchens 21 in die Heizvorrichtung mit der Oberfläche 23 nach oben beginnt das Zonenschmelzverfahren mit Temperaturgradient mit dem Einschalten der Infrarotlampen, wobei der Temperaturgradient dann in Richtung des Pfeils TG verläuft Zuerst bildet iich eine aluminiumreiche Schmelze 71 von Silizium in der Nut

26. Dann löst sich das Silizium an der heißen Seite der Schmelze, d.h. g/mäß der Ansicht in Fig.2 über der Schmelze, fortschreitend auf und rekristallisiert an der kalten Seite der Schmelze unter Aufnahme des Dotiermaterials. Gemäß Fig. Il wandert somit die Schmelze 71 in Dickenrichtung des Plättchens 21 nach oben. Hinter der Schmelze 71 verbleibt ein rekristallisierter Bereich 72 aus Silizium, das mit Aluminium bis zur Löslichkeitsgrenze im festen Zustand dotiert ist, wobei diese Dotierung konsistent mit dem Entmischungskoeffizienten von Aluminium in Silizium ist.

Wenr das Verfahren über einen ausreichenden Zeitraum fortgesetzt wird (typischerweise zwei bis fünfzehn Minuten in Abhängigkeit von der Plättchendicke, der Temperatur, dem Gradienten usw.), tritt die Schmelze 71 auf der heißen Oberfläche 23 des Plättchens aus, so daß sich der rekristallisierte Bereich 72 durch das gesamte Plättchen erstreckt. Wenn daher das Verfahren bis zu dem in Fig. 12 dargestellten Ausmaß durchgeführt wird und das Plättchen ursprünglich das in F i g. 1 gezeigte Aussehen besaß, ist jeder der rechteckigen Flächenbereiche 22 in dem Plättchen 21 von allen anderen Bereichen durch p-n-Übergangsbereiche isoliert, die beiderseits der rekristallisierten Bereiche 72 gebildet sind.

Wenn die Infrarotstrahlung beim Erreichen des in F i g. 11 dargestellten Zustands abgeschaltet wird, erstarrt die aluminiumreiche Schmelze 71 an ihrem derzeitigen Ort und verbleibt in dem Plättchen 21. Für bestimmte Anwendungsfälle ist es vorteilhaft, solche eingebetteten leitenden Schichten in dem Plättchen 21 vorzusehen.

Eine andere Alternative besteht darin, das Verfahren bei dem in F i g. 11 abgebildeten Zustand gemäß der vorstehenden Beschreibung zu beenden und dann das Plättchen umzudrehen, so daß sich die Oberfläche 22 den Infrarotlampen am nächsten befindet Das Verfahren wird mit einem Temperaturgradienten gemäß dem Pfeil TG in Fig. 13 erneut begonnen. Die Schmelze 71 bewegt sich dann auf ihrem Weg zurück und tritt an der Oberfläche 22 aus, wobei ein rekristallisierter Bereich 72 zurückbleibt der sich nur teilweise durch das Plättchen 21 erstreckt wie es in F i g. 13 dargestellt ist

Wenn die Schmelze 71 auf einer der Oberflächen des Plättchens 21 erstarrt ist, kann sie durch Läppen, Ätzen oder auf ähnliche Weise entfernt werden.

Nachstehend wird näher auf die Ausbildung eines vollständigen Halbleiter-Bauelements unter Anwendung des Zonenschmelzverfahrens mit Temperaturgradient eingegangen. In Fig. 14 ist als Schnittansicht ein größerer Bereich des Plättchens 21 gezeigt das bereits in den in Fig. 12 dargestellten Zustand gebracht d. h. vollständig von der Schmelze 71 durchwandert wurde. Die Oberfläche 23 des Plättchens 21 wurde geläppt um das rekristallisierte Schmelzmaterial von der Oberfläche zu entfernen.

Da als Beispiel angenommen wird, daß das Plättchen 21 ursprünglich auf eine η-Leitfähigkeit dotiert wurde und die rekristallisierten Bereiche 72 aluminiumreich sind und somit eine p-Dotierung bewirken, bildet die Vielzahl der Bereiche 72 eine isolierende Gitterstruktur, die das Plättchen in einzelne Bereiche mit n-Leitfähigkeit unterteilt

Anschließend werden ein Bereich 81 mit p-Leitfähigkeit in die gesamte Oberfläche 23 und gleichzeitig Bereiche 82 mit p-Leitfähigkeii in die Oberfläche 22 des Plättchens 21 eindiffundiert wie es in F i g. 15 dargestellt ist Die Eindiffusion in die Oberfläche 23 erfo'st ohne

Maskierung, während konventionelle Verfahren, wie beispielsweise eine Oxydmaskierung, Anwendung finden, um d\?. Eindiffusion in die Oberfläche 22 auf die Bereiche 82 zu begrenzen.

Aus Fig. 15 ist ersichtlich, daß während des Diffusionsvorgangs die Aluminiumatome in den rekristallisierten Bereichen 72 nach außen diffundieren und sich daher die Bereiche 72 etwas verbreitert haben.

Wie in Fig. 16 gezeigt, wird anschließend ein kleiner Bereich 83 mit η-Leitfähigkeit in jeden Bereich 82 der p-Leitfähigkeit eindiffundiert. Auch bei diesem Diffusionsvorgang finden konventionelle Verfahren wie beispielsweise eine Oxydmaskierung Anwendung. Aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellung sind die Oxydschichteii in den Fig. 14 bis 16 nicht gezeigt.

Damit enthält das in Fig. 16 gezeigte Plättchen 21

nunmehr eine Vielzahl von Thyristoren.

Wie in Fig. 17 gezeigt, wird das Plättchen 21 dann mittels konventioneller Verfahren metallisiert, wobei drei metallisierte Kontakte 84 auf jedem Thyristor '■> ausgebildet werden. Eine Oxidschicht 85 (diese ist in den vorhergehenden Figuren nicht gezeigt, sie wird jedoch naturgemäß während der konventionellen Diffusionsverfahrensschritte ausgebildet) verbleibt an den abgebildeten Stellen auf der Oberfläche 22, so daß jede

in p-n-Grenzschicht passiviert ist. Das Plättchen kann dann mit verschiedenen Verfahren unterteilt werden, beispielsweise dadurch, daß die rekristallisierten Bereiche 72 eingeritzt und durchbrochen werden, um einzelne passivierte Thyristor-Pellets gemäß der Abbildung in

ι ■> Fi g. 17 zu erhalten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Dotieren von Halbleiterplättchen, wobei auf eine Fläche des Halbleiterplättchens Dotiermaterial aufgebracht und von der gegenüberliegenden Fläche her unter Bildung einer Halbleitermaterial/Dotiermaterial-Lösungsschinelze gleichmäßig erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer stark dispergierten IR-Strah-Iung erhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der der Bestrahlungsfläche (23) gegenüberliegenden Fläche (22) her gekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotiermaterial in einem Verteilungsmuster aufgebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotiermaterial in Nuten (26) in der Fläche (22) einiegiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen (23 und 22) bezüglich der Erwärmung bzw. Kühlung nach einer vorgegebenen Dauer vertauscht werden.

6. Verfahren nach einem <?er Ansprüche ! bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Aluminium-Dotierung von n-Siiiziumplättchen für die Flächen (23 und 22) 111-Kristallebenen gewählt und die Nuten (26) gemäß den 110-Kristallebenen ausgerichtet werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der AnsDriiche 1 bis 6 mit einer Arbeitskammer aus IR-durcbJässigem Material, darin vorgesehener Trägereinrichtung für die Halbleiterplättchen und außerhalb der Arbeitskammer angeordneten langgestreckten Infrarotlampen, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber den Infrarotlampen (33) eine Kühleinrichtung (37) vorgesehen ist

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (37) aus einem Metallblock besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Arbeitskammer (36) parallel zu den Infrarotlampen (33) Randreflektoren (39) vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägereinrichtung (35) Tragscheiben (44) oder aufrecht stehende Tragteile (52; 62) aufweist.