DE2633961A1 - Verfahren zum zuechten eines duennen kristallbands - Google Patents

Verfahren zum zuechten eines duennen kristallbands

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Description

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TELEFON- (D 8« 66 3197 66 30 91 92 EDUAKUiLHMlUMRAWbZ DRESDNER BANK MÜNCHEN 3 914 TELEFON. (089) 663197, 663091 - 92 D-8000 MÜNCHEN 90 POSTSCHECK: MÜNCHEN 162147 - TELEGRAMME: ELLIPSOID MÜNCHEN
Mitsubishi Kinzoku Kabushiki Kaisha
und Toyo Silicon Co., Ltd.
Tokio, Japan
UNSER ZEICHEN: BETRIFFT:
MÜNCHEN, DEN 28. JUÜ 1 97'6
Verfahren zum Züchten eines dünnen Kristallbands
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Züchten eines dünnen Kristallbands, bei dem das Seitenzugwachstum (lateral pulling growth) eines Kristallbands bzw. -Streifens unter präziser Temperaturregelung eingeleitet wird, indem das Kristallband seitlich aus der Schmelze einer kristallinen Substanz mit demselben Kristallgefüge wie dem des Kristallbands herausgezogen wird ο
In jüngster Zeit zeigte sich ein großer Bedarf für eine Möglichkeit zur Herstellung breiter, dünner Bänder aus Einkristall mit hoher Güte und bei hoher Fertigungsgeschwindigkeit. Derartige Kristallbänder werden als Halbleitermaterialien (z„Be Siliziumkristall oder Kristalle aus Elementen der Gruppe IV des Periodischen Systems oder Verbundkristalle aus Elementen der Gruppen III-V oder II-IV) oder aber als Isoliermaterial (zeB. Saphir) verwendet. Der Bedarf für derartige Materialien steigt ständig an, und zwar nicht nur aufgrund der zunehmenden Verwendung von Halbleitervorrichtungen, wie Dioden, Transisto-
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Ke/Bl/ro -
ren, integrierte Schaltkreise usw., sondern auch deshalb, weil diese Werkstoffe für soge Sonnenzellen benutzt werden, die derzeit zur Ausnutzung der Sonnenenergie im großen Maßstab entwickelt werden.
Für die genannten Zwecke werden dünne Einkristallbänder angestrebt, weil hierbei der Arbeitsgang des Spaltens stabförmiger Kristalle in Fortfall kommt und eine kontinuierliche Fertigungsstraße von der Herstellung eines kristallinen Materials zur Verarbeitung zu einer aus diesem Werkstoff herzustellenden Vorrichtung angewandt werden kanno
Bei den bisher angewandten Verfahren wird das genannte kristalline Material in Form eines zylindrischen Stabs kristallisiert und dann zu Scheiben oder Plättchen gespalten.
Bisher wurden bereits zahlreiche Verfahren für die Herstellung von Kristallbändern vorgeschlagen. Obgleich bei einem solchen, bisher angewandten Verfahren, z.B. beim sog. Dendrite-Verfahren, hohe Fertigungsgeschwindigkeiten der Kristallbänder (bis zu 300 mm/min) möglich sind, zeigen sich dabei zahlreiche Mängel oder Nachteile. Beispielsweise besitzt das erhaltene Kristallband eine nur geringe Breite, und es weist unvermeidlich erhebliche Kristallfehler auf, z.B. Doppellamellen (twin lamellae) und lokal konzentrierte Verunreinigungen. Bei einem anderen, bisher angewandten Verfahren, nämlich dem sog. Non-Dendrite- oder EFG-Verfahren, werden zwar die Kristallbänder mit größerer Breite und weniger Fehlern erhalten, doch ist dabei die Kristallwachstumsgeschwindigkeit niedriger als beim zuerst genannten Verfahren. Vorgeschlagen wurde bereits auch das sog. Web-Verfahren, das jedoch kompliziert und zu störungsanfällig ist, um ein stabiles Kristallwachstum zu gewährleisten. Infolgedessen eignet sich keines der bisher bekannten Verfahren in der Praxis für die Herstellung von dünnen Kristallbändern, insbesondere Einkristallbändern, auf wirtschaftlicher Basis.
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In letzter Zeit wurde in den US-PSen 3 681 033 und 3 031 275 das horizontale bzw. waagerechte Züchten von Kristallbändern vorgeschlagen. Die erstgenannte US-PS offenbart ein Verfahren zum waagerechten Züchten eines Kristallbands aus einem Kristallkeim, wobei eine Schmelze einer kristallinen Substanz in einem Tiegel gehalten und dabei die Höhe der Schmelze auf über die Oberkante des Tiegels bzw. Schmelzgefäßes eingestellt wird, der Kristallkeim mit der Oberfläche der Schmelze in Berührung gehalten wird, um die Keimoberfläche leicht anzuschmelzen, und sodann der Keim waagerecht abgezogen wird, während die Oberseite des gezüchteten Kristallbands mit einer massiven oder festen Wärmesenke in Berührung gebracht wird, so daß ein flaches Kristallband einer vorbestimmten Dicke gebildet wird. Bei diesem Verfahren wird die an der Kristallwachstums-Grenzfläche zwischen dem Kristallkörper und der Schmelze während des Wachstums des Kristalls erzeugte Verfestigungs- oder Srstarrungswärme senkrecht von der Oberseite des Keims und des gezüchteten Kristallbands abgeführt, so daß sich auf der Oberfläche der Schmelze leicht eine dünne, ausgedehnte Kühlungs-Oberflächenschicht bildet. Im Fall von Eis und Ge lassen sich daher Kristallbänder ziemlich großer Breite ziemlich zufriedenstellend herstellen,. Bei diesem Verfahren wird jedoch ein massiver Körper als Wärmesenke verwendet, was zu Schwankungen der Kühlwirkung und der Größe oder Abmessungen des Kristallbands aufgrund der unvollkommenen Feststoff/Feststoff-Berührung führt. Außerdem ist dieses Verfahren praktisch nicht günstig und nicht geeignet, eine schnelle Kristallisierung von Bändern zu realisieren. Das Horizontal-Kristallwachsturnsverfahren wurde daher in der Praxis nicht auf wirtschaftlicher oder industrieller Basis eingesetzt, was auf die geringere Güte des erhaltenen Kristallbands im Vergleich zu den herkömmlichen Kristallbändern und die geringe Wachstumsgeschwindigkeit zurückzuführen ist.
Der Erfinder in der US-PS 3 681 033 (BIeIl) schlägt zudem in
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einem anderen Werk ein "sanftes" Abkühlen lediglich durch Abstrahlung oder mittels eines gasförmigen oder flüssigen Mediums vor, um ein gleichmäßiges Kristallwachstum zu gewährleisten, doch offenbart er nichts bezüglich einer Erhöhung der Kristallwachstumsgeschwindigkeit, Es wird angenommen, daß diese Geschwindigkeit bei der genannten US-PS bestenfalls etwa 3 mm/min beträgt.
Darüber hinaus wurde beim bisher üblichen horizontalen Kristallwachstum oder -züchten kein besonderer Wert auf den Abstand zwischen der Kristallwachsturns-Grenzfläche und der Heizfläche einer Heizeinrichtung gelegt, welche diese Grenzfläche von der Schmelzenseite her erwärmt. Dieser Abstand war bisher nicht kleiner als 6,35 mm (vgl. zoB. US-PS 3 681 033). Infolgedessen wurde dieses bisher übliche Horizontal-Kristallwachstumsverfahren unter Bedingungen durchgeführt, die eine große Verzugszeit für die Kompensation von Abweichungen oder Schwankungen der Temperatur an der Kristallwachsturns-Grenzfläche bedingten, wobei es schwierig war, die Temperatur innerhalb einer sehr engen Toleranz zu halten«, Dies ist jedoch nötig, um eine vorbestimmte Form und vorbestimmte Abmessungen des Kristallbands einzustellen. Bei erfindungsgemäß mit diesem Verfahren angestellten Versuchen ergaben sich Kristallbänder mit weiten Abweichungen der Breite, Dicke und Oberflächenebenheit. Die Dichte der im Kristall festzustellenden Versetzungen ist sehr hoch, und manchmal waren im Kristall auch Rohfehler (gross defects), wie Zwillings- oder Doppelebenen, festzustellen. Dies bedeutet, daß dabei die erreichte Kristallinität nicht zufriedenstellend ist. Weiterhin ergeben sich auch zahlreiche andere Nachteile, Z0B. äußerst geringes Ausbringen, komplizierte Verfahrensmaßnahmen für die Kristallzüchtung, häufige Unterbrechung des Verfahrens usw.
Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von breiten, dünnen Kristallbändern mit uner-
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wartet hoher Fertigungsgeschwindigkeit, insbesondere eines nacharbeitbaren Verfahrens zur Herstellung von breiten, dünnen Kristallbändern mit hohem Ausbringen bzw. in hoher Ausbeute .
Bei diesem Verfahren sollen die breiten, dünnen Kristallbänder unter gleichzeitiger Ausschaltung der den bisher bekannten Verfahren anhaftenden Nachteile und Mängel mit guter Kristallinität und präziser Geometrie mit hoher Geschwindigkeit und hohem Ausbringen herstellbar sein.
Die Erfindung bezweckt dabei auch die Schaffung eines praktisch vorteilhaften Verfahrens zur Herstellung breiter, dünner Kristallbänder, das sich ohne weiteres manuell durchführen und einfach für automatische Durchführung und Regelung abwandeln läßt.
Die genannte Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Züchten eines dünnen Kristallbandes, bei dem das Kristallband von einer Schmelze einer kristallinen Substanz mit demselben Kristallgefüge wie das Kristallband abgezogen wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kristallband quer bzv/. seitlich abgezogen wird und daß das Verhältnis zwischen der Strecke von Vorderkante zur Hinterkante eines Kristallwachstumsbereichs und der Dicke des Kristallbands auf nicht weniger als 5f7 eingestellt wird, indem die Temperatur im Schmelzen-Oberflächenbereich, in welchem der Kristall gezüchtet werden soll, auf einen Wert unter dem Schmelzpunkt der Schmelze verringert und dadurch eine sich in Kristallwachsturnsrichtung erstreckende überkühlte Schicht gebildet wird.
Erfindungsgemäß werden also breite, dünne Kristallbänder mit hoher Fertigungsgeschwindigkeit nach einem Quer- oder Seitenzugverfahren erhalten, bei dem die Temperaturbedingungen an der Kristallwachstums-Grenzfläche durch Erwärmung mittels eines
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Heizelements und Kühlung mittels einer Kühleinrichtung so eingestellt werden, daß sich ein Kristallwachstumsbereich weit ausbreiten kann. Das Abkühlen erfolgt durch natürliche Abstrahlung und/oder mit Hilfe eines gasförmigen Kühlmittels, wie Wasserstoff- oder Argongas, das aus einer Anzahl von oberseitig angeordneten Düsen auf die Oberfläche des Kristallwachstumsbereichs aufgeblasen wird. Erfindungsgemäß kann daher ein Seitenzugswachstum mit hoher Geschwindigkeit realisiert werden. Dieser Bereich stellt im Querschnitt einen keilförmigen Kristallabschnitt dar, der sich von der Vorderseite des kristallisierten Körpers, wo das Kristallwachstum beginnt, zur Rückseite des kristallisierten Körpers erstreckt, wo die Dicke des gezüchteten Kristalls den endgültigen Sollwert erreicht»
Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird die Strecke L zwischen Vorder- und Hinterkante auf nicht weniger als das 5»7~fache der Dicke t des Kristallbands eingestellt, doh. der Winkel zwischen der Kristallwachstums-Grenzfläche und der Oberseite des Kristallbands wird auf höchstens 10° eingestellt. Gemäß diesem Erfindungsmerkmal breitet sich also die Kühlfläche, doh. die genannte Grenzfläche, in ausreichendem Maß aus, so daß die Erstarrungswärme schneller abgeführt wirdo Das Kristallband kann dabei in waagerechter Richtung abgezogen werden, doch kann es auch unter einem beliebigen Winkel zur waagerechten Oberfläche der Schmelze abgezogen werden, sofern das Verhältnis L/t auf nicht weniger als 5,7 eingestellt wird·
Die Dicke t liegt im allgemeinen im Bereich von 0,08 - 3 mm, vorzugsweise bei 0,1 - 1,0 mm. Die Strecke L kann eine Länge von 5 mm bis zu mehreren Metern besitzen. Das Verhältnis L/t beträgt daher 5,7 oder mehr, üblicherweise 50 oder mehr und vorzugsweise 2000 oder mehr. Ein Verhältnis von 20 000 oder darüber kann angewandt werden.
Das Verhältnis L/t wird durch Verringerung der Temperatur im
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Oberflächenbereich der Schmelze, wo das Kristallwachstum erfolgt, auf eine Temperatur unter dem Schmelzpunkt der Schmelze zwecks Bildung einer überkühlten, in Richtung des Kristallwachstums verlaufenden Schicht auf einen vorbestimmten Wert eingestellt.
Diesbezüglich wird die erfindungsgemäße Arbeitsweise zur Herstellung des Kristallbands dadurch weiter verbessert, daß der Kristall abgezogen wird, während sich die Position der Hinterkante des Kristallwachstumsbereichs innerhalb der Linie befindet, an welcher das kristallisierte Band von der Schmelze weggezogen wird. Infolge dieser Anordnung der Hinterkante wird der Kristall daran gehindert, von der Unterseite des abgezogenen Kristallbands aus nach unten zu wachsen.
Darüber hinaus hat es sich erwiesen, daß das erfindungsgemäße Verfahren für das Seitenzug-Kristallzüchten in hohem Maße reproduzierbar bzwi nacharbeitbar ist. Dies bedeutet, daß sich das Verfahren unter Lieferung eines bemerkenswert hohen Ausbringens ohne weiteres unter Regelung durchführen läßt, indem das Kristallband unter einem Winkel von höchstens 10° von der freien waagerechten Fläche der Schmelze nach oben abgezogen wird. Vorzugsweise wird das Kristallband von einer einwärts vom Rand des Behälters liegenden Stelle der Schmelze aus und unter einem Winkel von höchstens 10° r rechten Schmelzenoberfläche abgezogene
unter einem Winkel von höchstens 10° nach oben von der waage-
Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung wird also das Kristallband unter einem Winkel von höchstens 10° gegenüber der waagerechten Schmelzenoberfläche von der Schmelze nach oben abgezogen. Ein Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß es einfach wirdj die Isotherme in der Schmelze praktisch parallel zur Kristallwachstums-Grenzfläche zu halten. Außerdem kann das Kristallband von einer Fläche bzw. einem Bereich der Schmelze abgezogen werden^ die bzw, der mit Abstand einwärts
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vom Rand des Schmelzenbehälters liegt. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens kann darin gesehen werden, daß die zeitweilig zwischen dem Behälterrand und der Unterseite des Bands auftretende Brückenbildung leicht verhindert werden kann.
Wenn hierbei das Verhältnis L/t auf nicht unter 5,7 eingestellt ist, können die Kristallbänder mit höherer Geschwindigkeit und mit höherem Ausbringen hergestellt werden»
Als noch wirksamer hat sich ein kombiniertes Verfahren erwiesen, bei dem zunächst das Kristallband unter einem Winkel von höchstens 10° gegenüber der waagerechten Schmelzenoberfläche in Aufwärtsrichtung von der Schmelze abgezogen und die Abziehrichtung allmählich in eine waagerechte Richtung umgeführt wird, nachdem die Abziehgeschwindigkeit einen vorbestimmten Wert erreicht hat. Auch in diesem Fall wird das Verhältnis L/t vorzugsweise auf nicht unter 5,7 gehalten.
Erfindungsgemäß hat es sich weiterhin herausgestellt, daß die Kontur der Vorderkante des Kristallwachstumsbereichs die Güte der erhaltenen Kristallbänder wesentlich beeinflußt. Beim Verfahren des Seitenzugwachsturns von Kristallbändern hat es sich gezeigt, daß in den Kristallbändern nur eine geringe oder gar keine Versetzung zu beobachten ist, wenn die Kontur der Vorderkante so festgelegt ist, daß an der Vorderkante kein der Kristallwachsturnsrichtung zugewandter konkaver Abschnitt vorhanden ist, d.h. wenn die Vorderkante so eingestellt wird, daß sie eine gerade Linie oder eine konvexe Kurve in bezug auf die Kristallwachstumsrichtung bildete Genauer gesagt, ist die Kontur so festgelegt, daß von einem Punkt zu beiden Seiten der durch diesen Punkt geteilten oder halbierten Vorderkante keine in Kristallwachstumsrichtung vorgeschobenen Rand- oder Kantenabschnitte vorhanden sind. Die bevorzugte Kontur der Vorderkante ist eine senkrecht zur Kristallwachstumsrichtung liegende gerade Linie. Diese Kontur läßt sich durch Anheben
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der Temperatur im Oberflächenbereich der den Kristallwachstumsbereich umgebenden Schmelze auf einen Wert über dem Schmelzpunkt des Kristalls regeln.
Bei diesem erwähnten Seitenzugwachstum von Kristallbändern werden somit Einkristallbänder mit flacher Oberfläche erzielt, die nur eine geringfügige oder gar keine Versetzung aufweisen.
In diesem Fall kann das Verhältnis L/t ebenfalls auf nicht weniger als 5»7 eingestellt werden«
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, die eine vorzugsweise in einem Abstand von höchstens 30 mm von der Kristallwachstums-Grenzfläche praktisch parallel dazu liegende Heizfläche aufweist. Durch entsprechende Einstellung oder Regelung der Heizeinrichtung kann eine günstige Kristallwachsturns-Grenzfläche ohne Zeitverzögerung aufrechterhalten werden,. Da die Heizeinrichtung eine praktisch parallel zur genannten Grenzfläche liegende Heizfläche aufweist, werden breite, dünne Kristallbänder hoher Güte mit hoher Geschwindigkeit und hohem Ausbringen erhalten. Bei diesem Verfahren kann das Kristallband ebenfalls unter einem Winkel von höchstens 10° nach oben von der waagerechten Schmelzenoberfläche abgezogen werden, während das Verhältnis L/t auf nicht weniger als 5»7 eingestellt ist und die Kontur der Vorderkante auf vorher beschriebene Weise festgelegt sein kann.
Mit der Erfindung wird auch ein Verfahren zum Züchten eines dünnen Kristallbands, bei dem das griställband von-
einer,Schmelze einer kristallinen Substanz mit demselben Kristallgefüge wie das Kristallband abgezogen wird, geschaffen, dessen Besonderheit darin besteht, daß das Kristallband unter einem Winkel von höchstens 10° gegenüber der waagerechten Schmelzenoberfläche in Aufwärtsrichtung von der Schmelze abgezogen wird.
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In weiterer Ausgestaltung bezieht sich die Erfindung auf ein derartiges Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Kristallband quer bzw0 seitlich abgezogen wird und daß die Kontur der Vorderkante des Kristallwachstumsbereichs auf eine Form eingestellt wird, bei welcher keine Rand- oder Kantenabschnitte vorhanden sind, die in Kristallwachsturnsrichtung gegenüber einem Punkt zu beiden Seiten der durch diesen Punktgeteilten bzw. halbierten Vorderkante vorgeschoben sind, indem die Temperatur in dem den Kristallwachstumsbereich umschließenden Schmelzen-Oberflächenbereich auf einen Wert über dem Schmelzpunkt des Kristalls erhöht wird.
In noch weiterer Ausgestaltung betrifft die Erfindung ein Verfahren dieser Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Kristallband quer bzw. seitlich abgezogen wird und daß eine Heizeinrichtung mit einer praktisch parallel zur Kristallwachstums -Grenzfläche liegenden Heizfläche in einem Abstand von höchstens 30 mm unter dem Kristallwachstumsbereich angeordnet wird.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht des Aufbaus einer Vorrichtung zur Herstellung von Kristallbändern nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Fig. 2 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Teilansicht der Vorrichtung von Fig. 1, welche den Kristallwachstumsbereich in Form eines Keils mit von einer Vorderkante F zu einer Hinterkante B zunehmender Dicke zeigt,
Fig. 3a eine schematische Darstellung zur Erläuterung des
Grundgedankens einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das Einkristallband mit hoher Geschwindig-709807/0775
keit und ohne abwärts gerichtetes Kristallwachstum gezüchtet wird,
Fig. 3b eine Fig„ 3a ähnelnde Darstellung der Bildung eines Abwärtswachstums von Kristallmaterial,
Fig. 4a einen Teilschnitt zur Veranschaulichung einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4b die Konfiguration der Isothermenebene gemäß Fig. 4a,
Fig. 5 eine Schnittansicht einer Einrichtung zur Einstellung der Abziehrichtung des Kristallbands,
Fig. 6a und 6b schematische Darstellungen zur Erläuterung der Bildung und der Kontur der Vorderkante des Kristallwachstumsbereichs und
Fig. 6c und 6d Querschnitt©durch die erhaltenen Kristallbänder.
Fig. 1 veranschaulicht den Aufbau einer Vorrichtung, bei welcher das kristallisierte Band nach dem erfindungsgemäßen Seitenzug-Kristallwachstumsverfahren aus dem Schmelztiegel -gefäß abgezogen wird.
Das das Endprodukt bildende Kristallband 22 wird an einer auf gleicher Höhe mit der freien Schmelzenflüssigkeitsoberfläche liegenden Abziehöffnung 23 in Querrichtung bzw. seitlich von der Schmelze 1 eines kristallinen Materials abgezogen. Die Schmelze 1 wird durch eine Heizeinrichtung, etwa eine elektrische Widerstands- oder Hochfrequenzinduktions-Heizeinrichtung, die von einer nicht dargestellten elektrischen Spannungsquelle her gespeist wird, auf einer Temperatur nahe dem Schmelzpunkt des kristallinen Materials gehalten. Die Oberfläche der Schmelze 1 wird in dem im folgenden einfach als
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"Tiegel" bezeichneten Schmelzgefäß 3 stabil in waagerechter Lage gehalten. Die Höhe des Tiegels ist zumindest an der Abziehöffnung niedriger als die Schmelze 1, so daß der Kristallkeim und der kristallisierte Körper ohne Berührung mit der Tiegelkante abgezogen werden können. Das Material des Tiegels darf dabei nicht mit der Schmelze reagieren, die Schmelze nicht verunreinigen und keine Benetzbarkeit für die Schmelze zeigen. Im Fall eines Kristallbands aus Halbleiter-Silizium sollte der Tiegel daher beispielsweise aus Quarz hoher Reinheit oder aus hochreinem Silizium bestehen. Bei jedem verwendeten Werkstoff kann die Schmelzenoberfläche zumindest an der Abziehöffnung um etwa 10 mm über der Tiegelkante gehalten werden,, Bei Verwendung von hochreinem Quarz, der sich bei erhöhter Temperatur erweicht, wird vorzugsweise der Tiegel 3 in einen Tiegel bzw« ein Schmelzgefäß 8 aus Graphit hohen Reinheitsgrads eingesetzt.
Da die Schmelze 1 bei der Herstellung des Kristallbands verbraucht wird, muß dem Tiegel ständig neues Material zugeführt werden. Zu diesem Zweck wird beispielsweise eine mittels Halterungen 16 an einem Schaft 15 aufgehängte polykristalline Siliziumstange 2 in die Schmelze eingeführt. Das untere Ende dieser Stange wird dabei im Quarztiegel 4 (und im Graphittiegel 9) durch eine Heizeinrichtung 7» z„B. eine elektrische Widerstandsoder Hochfrequenzinduktionsheizeinrichtung, welche von einer nicht dargestellten Stromversorgung her mit elektrischem Strom gespeist wird, auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt des kristallinen Materials erwärmt. Auf diese Weise wird der Flüssigkeits- bzw. Schmelzenspiegel 1 auf einem vorgegebenen Stand gehalten. Bei Einleitung des Verfahrens kann das kristalline Material selbstverständlich auf gleiche Weise erhitzt und aufgeschmolzen werden«, Die Temperatur in der Schmelzzone, in welcher eine Schmelzhitze erforderlich ist, ist dabei höher als in der Abziehzone„ Im Fall von Silizium schlägt sich das aus der Schmelze verdampfte Silizium als SiO oder amorphes SiIi-
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zium auf der Fläche der Innenwand des Tiegels 4, der Oberfläche der Stange 2 uswo nieder. Diese festen Niederschläge fallen auf die Oberfläche der Schmelze 1 herab und bilden dabei schwimmende Feststoffe 26, die zeitweilig die Abziehzone erreichen und ein abnormales Kristallwachstum verursachen können. Infolgedessen ist eine Trennwand in Form eines Teils der Tiegelwand 4 vorgesehen, so daß die aufschwimmenden Feststoffe daran gehindert werden, zur Schmelzenoberfläche in der Abziehzone zu gelangen. Die unter die Schmelzenoberfläche eintauchende Trennwand des Tiegels 4 verhindert außerdem, daß in der Schmelzzone auftretende Schwingungen der Schmelzenoberfläche sich zur Abziehzone ausbreiten.
Bei Konstanthaltung des Schmelzenspiegels wird die Temperatur der gebildeten Schmelzenoberfläche mit Hilfe einer Heizeinrichtung 17 (oberseitiges Heizelement) im Bereich einer Temperaturregelzone 25 vorderhalb der Vorderkante des Kristallwachstumsbereichs, in welchem der Kristall gezüchtet wird, auf einen vorbestimmten Wert eingestellt. Anschließend wird die Schmelze durch einen aus Quarz bestehenden Gaskühler 19 überkühlt, indem auf den Wachstumsbereich ein Inertgas-Kühlmittel, wie Argon oder Helium, mit geregelter Durchsatzgeschwindigkeit über Düsen aufgeblasen wird. Dabei bildet sich auf der Schmelzenoberfläche eine überkühlte Oberflächenschicht mit einer Temperatur, die geringfügig unter dem Schmelzpunkt (142O0C im Fall von Silizium) liegt«, Erfindungsgemäß wird ein zweckmäßiger thermischer bzw. Wärmeausgleich durch entsprechende Einstellung oder Regelung der Kühlung mittels des Kühlers und durch Erwärmung mittels der Heizeinrichtung 5 unterhalb der Schmelze eingestellt. Dies bedeutet, daß das Verhältnis zwischen der Strecke von der Vorderkante F zur Hinterkante B des Kristallwachstumsbereichs und der Dicke des Kristallbands durch Verringerung der Temperatur in dem Oberflächenbereich der Schmelze, in welchem der Kristall gezüchtet wird, auf eine unterhalb des Schmelzpunkts der Schmelze liegende Tempe-
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ratur, um eine sich in Kristallwachstumsrichtung erstreckende überkühlte Schicht zu bilden, eingestellt werden kann.
Ein bandförmiger Kristallkeim mit demselben Kristallgefüge wie das zu kristallisierende Material, im Fall von Halbleiter-Silizium z.B9 ein Einkristallkeim, der in der Form einer dünnen Platte mit der Hauptebene {in} und der Längsachse (2*11> ausgebildet ist, wird in diese Schicht eingetaucht und wieder aufgeschmolzen« An diesem Punkt erfolgt eine Kristallisation an der Kristallwachstums-Grenzflache, die als Kristallkern für das Kristallwachstum dient. Der Kristallkeim wird hierauf mittels einer Abzieheinrichtung mit Führungsrollen 20, 21 aus Graphit und nicht dargestellten Antriebsrollen mit Überzügen aus Silikongummi kontinuierlich seitlich in Längsrichtung abgezogen. Der im Kristallwachstumsbereich gebildete Kristall wird dabei durch die FührungsroIlen abgezogen und gegenüber der Schmelzenoberfläche unter einem Winkel oder in derselben Höhe gehalten. Hierauf kann das ausreichend abgekühlte Einkristallband mittels der durch einen nicht dargestellten Motor angetriebenen Antriebsrollen aus der Vorrichtung herausgezogen werdenβ
Figo 2 zeigt einen lotrechten Schnitt durch den sich während des Abziehens des Kristallbands bildenden Kristallwachstumsbereich, in welchem die Dicke dieses Bereichs von der Vorderkante F zur Hinterkante B in Abziehrichtung fortlaufend zunimmt. Dabei kann eine Abkühlschicht, d.h. der Kristallwachstumsbereich mit einer großflächigen Erstarrungsisotherme gebildet werden, die im Schnitt senkrecht zur Abziehrichtung konstante Tiefe und an der Vorderkante eine Tiefe entsprechend Null besitzt, jedoch in Richtung auf die Abziehöffnung (vgl. Figc 2) allmählich zunimmto
Erfindungsgemäß kann eine mit hoher Geschwindigkeit erfolgende Herstellung des Kristallbands unter zweckmäßigem Wärmeausgleich
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gewährleistet werden, der durch Regelung der Abkühlung mittels des Kühlers 19 unter Erwärmung der Schmelze erreicht wird. Zu diesem Zweck kann das Verhältnis zwischen der Strecke von der Vorderkante F zur Hinterkante B des Kristallwachsturnsbereichs und der Dicke des Kristallbands durch Verringerung der Temperatur im Oberflächenbereich der Schmelze, in welchem der Kristall gezüchtet werden soll, auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Schmelze eingestellt werden, um eine sich in Kristallwachsturnsrichtung erstreckende, überkühlte Schicht zu bilden.
Genauer gesagt,kann beim erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise durch Verschieben der Kühleinrichtung 19 entgegengesetzt zur Abziehrichtung des Kristallbands die Strecke L zwischen der Vorderkante F und der Hinterkante B auf das 5,7-fache oder mehr der Dicke t des aus der Vorrichtung abgezogenen Kristallbands eingestellt werden«, Gemäß Fig. 1 wird daher der Winkel der Kristallwachsturns-Grenzfläche zur Oberseite des Keims und des gezüchteten Kristalls auf höchstens 10° eingestellt.
Die durch Vergrößerung der Oberflächen der Kristallwachsturns-Grenzfläche und des Kristallwachstumsbereichs erzielten Wirkungen lassen sich wie folgt erläutern:
Sofern das Kristallband mit einer Dicke t und einer Breite w mit einer Abzfehgeschwindigkeit von rp gezüchtet wird, kann die Gesamterstarrungswärme Qf, die an der von der Vorderkante F zur Hinterkante B reichenden Kristallwachstums-Grenzfläche erzeugt oder freigesetzt wird, durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:
Qf = rp · t · w * Sc · qs
worin S-'. das spezifische Gewicht des kristallinen Materials und q die Srstarrungswärme pro Gewichtseinheit des kristallinen Materials bedeuten.
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Wenn beispielsweise der Winkel θ der Kristallwachs turns-Grenzfläche gegenüber der Horizontalen sehr klein ist, so wird die Oberfläche dieser Grenzfläche S praktisch gleich dem Produkt aus der Länge L des Wachstumsbereichs und der Breite w des Bands. Infolgedessen läßt sich die Verfestigungs- bzw. Erstar rungswärme pro Flächeneinheit (q~) durch folgende Gleichung ausdrücken:
qf = Qf/S
= rp»tan9»S »q (tan θ = t/L)
Wie aus obigen Ausführungen hervorgeht, muß die Wärme qf gründlich von der Kristallwachstums-Grenzfläche abgeführt werderu Da die Fähigkeit eines vorgegebenen Kühlsystems für die Abführung von Wärme pro Flächeneinheit eine Grenze besitzt, muß weiterhin der Winkel Q kleiner ausgebildet werden, d.h. das Verhältnis von Länge L zu Dicke t muß größer gewählt werden, um die Wärme Q« mit einem vorgegebenen Kühlsystem abführen zu können und den Kristall mit höherer Geschwindigkeit zu züchten bzw« wachsen zu lassen. Infolgedessen ist es möglich, praktisch die gesamte Wärme Q~ durch entsprechende Einstellung des Winkels θ oder des Verhältnisses L/t abzuführen«,
Bei einem A^sführungsbeispiel der Erfindung, bei dem Halbleiter-SIlisiumbänder von 1 mm Dicke und 40 mm Breite gezüchtet wurden, wurde beispielsweise eine hohe Fertigungsgeschwindigkeit von 300 mm/min mit Hp-Gas als Kühlmittel durch Einstellung des Winkels 9 auf 1°10f, d„he Einstellung der Strecke L auf 50 mm, erzielt. Eine derart hohe Fertigungsgeschwindigkeit konnte mit den bisher üblichen Verfahren noch nicht erreicht werdene Außerdem besitzt der dabei erhaltene Einkristall eine hohe Guts. Hierdurch wird die Wirksamkeit des erfindungs-
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gemäßen Verfahrens belegt. In diesem Zusammenhang hat es sich als notwendig erwiesen, das Verhältnis zwischen der Strecke L iind der Dicke t auf nicht weniger als 5,7 zu beschränken, wenn ein Kristallband hoher Güte mit höherer Geschwindigkeit als bei den bisher üblichen Verfahren hergestellt werden soll, Ersichtlicherweise kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in der Weise durchgeführt werden, daß die Abziehrichtung des Kristallbands gegenüber der Horizontalen aufwärts oder abwärts geneigt ist«,
Durch das Seitenzugwachstum bzw. -züchten von Kristallbändern mit einem gasförmigen Kühlmittel werden breite, dünne Kristallbänder mit hoher Fertigungsgeschwindigkeit erzielt. Noch wesentlicher ist jedoch für den Fachmann, daß diese Kristallbänder unter gesteuerten bzw, geregelten Betriebsbedingungen mit gleichbleibenden Eigenschaften herstellbar sind. Erfindungsgemäß wird ein ohne weiteres nacharbeitbares Verfahren für das unter Seitenzug erfolgende Züchten von Kristallbändern geboten. Fig. 3a ist ein lotrechter Schnitt durch einen Teil einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Wie aus Fig. 3a deutlich hervorgeht, erstreckt sich die Kristallwachstums-Grenzfläche von der Vorderkante F zur Hinterkante B«j, die in Einwärtsrichtung in einem Abstand von der Kante des Tiegels liegt, wobei die Dicke dieser Grenzfläche in Richtung auf diese Hinterkante fortlaufend zunimmt. Die Dicke des gezüchteten Kristalls erreicht an der Hinterkante ihren größten Wert. Im allgemeinen wird das Verhältnis L/t vorzugsweise auf nicht weniger als 5»7 eingestellt. Zu diesem Zweck ist besondere Sorgfalt bei der Anordnung der Heizeinrichtung 5 und der Kühleinrichtung und bei der Auswahl ihrer Heiz- bzw. Kühlgrade anzuwenden, um die Ebenen der Isothermen möglichst flach zu gestalten«, Bei der mit hoher Geschwindigkeit erfolgenden Fertigung von Kristallbändern wird jedoch die Temperatur der Grenzfläche durch die Erstarrungswärme bestimmt, weil mit zunehmender Fertigungsgeschwindigkeit die Erstarrungs-
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wärme größer wird als die konduktiv von der Heizeinrichtung zugeführte Wärme. Aus diesem Grund ist die in einem Bereich niedrigerer Kristallisationsgeschwindigkeit entstehende Erstarrungswärme niedriger als die Wärme in einem Bereich höherer Kristallisationsgeschwindigkeit, so daß die Kristallwachstumsgeschwindigkeit im Bereich langsamer Kristallisation höher wird als im Bereich schneller Kristallisation, sofern die Wärmeabfuhr konstant bleibt, was eine Eigenregelung der Temperatur an der Kristallwachstums-Grenzfläche zur Folge hat. Infolgedessen läßt sich eine gleichförmige Fläche des keilförmigen Abschnitts des Kristalls ohne Schwierigkeiten erzielen.
Gemäß Fig. 3b kann jedoch ein anderes Temperaturschema in dem Bereich festgestellt werden, in welchem der Kristall die Schmelze verläßt. In diesem Bereich wird aufgrund der leichteren Wärmeableitung vom Meniskus in waagerechter Richtung dieser Meniskus so stark abgekühlt, daß sich die längs der Kristallwachstums-Grenzfläche verlaufenden Isothermenebenen abwärts krümmen und dabei zu einer Verdickung dieses Teils des Kristalls führen. Bei niedriger Abziehgeschwindigkeit zieht der Kristall daher unter diesen Bedingungen einen Teil der Schmelze vom Meniskus nach außen mit, welcher sich dabei über die Kante des Tiegels hinaus wölbt oder ausbeult, bis die Mitziehkraft die Größe der Oberflächenspannung der Schmelze erreicht. Wenn die Mitziehkraft die Oberflächenspannung übersteigt, bricht die Oberfläche der mitgezogenen Schmelze aus, während der Men-iskus seine vorherige Form wieder annimmt und der mit dem mitgezogenen Schmelzenanteil bedeckte Kristall seine vorgesehene Dicke wieder einstellt. Da im Bereich um den Meniskus herum die gleichen Bedingungen (wie vorher) erhalten bleiben, wiederholt sich der vorstehend beschriebene Vorgange Die Unterseite des Kristalls zeigt daher ein sich periodisch wiederholendes, wellenartiges Muster, durch welches die Kristallunterseite weit über die zulässigen Toleranzen hinaus verformt wirde Zudem wird dadurch auch das Ausbringen verringert. Darüber
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hinaus fällt die mit dem Kristall mitgeschleppte Schmelze außerhalb des Tiegels bzw. Schmelzgefäßes herab, was zu einem schnellen Absinken des Schmelzenspiegels innerhalb des Tiegels führt, so daß der Betrieb aufgrund dieses Vorfalls unterbrochen werden muß0
Um dieses abwärts gerichtete bzw. wellenförmige Kristallwachstum zu vermeiden, ist die Heizeinrichtung nahe der Kante bzw. dem Rand des Tiegels angeordnet, und die von ihr erzeugte Heizwirkung wird sorgfältig so geregelt, daß der Wärmeverlust in waagerechter Richtung ausgeglichen wird0
Wenn der Kristall mit höherer Geschwindigkeit abgezogen wird, wird das Kristallwachstum in lotrechter Richtung ohne Anwendung der Heizeinrichtung verhindert, weil der Kristall infolge des schnellen Kristallwachstums nicht nur keine Möglichkeit besitztj, in lotrechter Richtung (beispielsweise abwärts) zu wachsen, sondern auch durch die schnelle Kristallisierung eine große Wärmemenge gebildet wird, welche die vom Meniskus in waagerechter Richtung abgestrahlte Wärme ersetzen kann.
In spezieller Ausführungsform der Erfindung ist daher die Heizeinrichtung 6 gemäß Fig. 3a vorgesehen, wobei ein gasförmiges Kühlmittel über Düsen 31 auf die Oberfläche des seitlich abgezogenen Kristallbands 22 aufgeblasen wird. Die Position der Heizeinrichtung und die durch sie gewährleistete Erwärmung werden ebenfalls so eingestellt, daß sich die Hinterkante Bq-j. einwärts von einer Position BL befindet, an welcher das Kristallband die Schmelze 1 verläßt«, Die Grenzfläche zwischen Kristall und Schmelze in diesem .Bereich zwischen Hinterkante Bq1 und hinterer bzw. Austrittslinie BL wird in praktisch waagerechter Lage gehalten, während auch die Dicke des Kristalls in diesem Bereich konstant gehalten wird. Dies läßt sich ohne weiteres durch entsprechende Regelung der durch die Heizeinrichtung 6 bewirkten Erwärmung gewährleisten,
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Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann jedoch auch unter den genannten Bedingungen bei Einstellung des Verhältnisses zwischen der Strecke zwischen Vorderkante F und Hinterkante B^j des Kristallwachstumsbereichs und der Dicke t des Bands auf 5,7 oder mehr die Wachstumsrate in unerwartetem Ausmaß erhöht werden. Beispielsweise wurde ind=r Praxis ein Halbleiter-Silizium ohne abwärts gerichtetes Kristallwachstum von der Unterseite her mit einer Abziehgeschwindigkeit von 300 bis 400 mm/min kristallisiert.
Pig© = 4a veranschaulicht ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Oberfläche der Schmelze 1 durch Abstrahlung oder durch Aufblasen eines Kühlgases, z.B. Ar oder H2, mittels der Kühleinrichtung 19 auf die Oberfläche der Schmelze und das von dieser abgezogene Kristallband abgekühlt wird, wobei die Abziehrichtung charakteristisch nicht die gleiche Rich-
i st
tung wie vorher, sondern unter einem Winkel zur waagerechten freien Oberfläche der Schmelze aufwärts geneigt ist. Gemäß Fig. 4b verläuft die Isotherme in diesem Fall praktisch parallel zur Oberfläche der Schmelze 1 und typischerweise über die Schmelzenoberfläche in den Bereich, der vom Rand des Tiegels 3 zur Position der Hinterkante B verläuft, welche ihrerseits ein ausreichendes Stück in Einwärtsrichtung von der Tiegelkante auf Abstand angeordnet ist. Die überkühlte Schicht wird auf der Schmelzenoberfläche in einer anderen Position als beim bekannten, waagerecht erfolgenden Abziehen gebildet. Diese Konfiguration läßt sich ohne weiteres durch Regeln der Beheizung mittels der Heizeinrichtungen 5 und 6 sowie der Positon der Kühleinrichtung 19 gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung erreichen. Mit dieser Ausführungsform ds r Erfindung wird somit das Verfahren zur Herstellung breiter, dünner Kristallbänder auf nicht vorhersehbare Weise stabilisiert. In diesem Zusammenhang hat es sich herausgestellt, daß der Winkel S zwischen der Abziehrichtung und der Schmelzenoberfläche nicht größer sein sollte als 10°,
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Bei diesem Verfahren kann die Kristallwachstums-Grenzfläche mit der waagerechten Oberfläche der Schmelze 1 in Übereinstimmung gehalten werden,, Hierdurch wird außerdem im Vergleich zum vorher beschriebenen Seitenzugverfahren die Wärmeregelung im Kristallwachstumsbereich verbessert, obgleich der Winkel zwischen der Abziehrichtung und der Grenzfläche zwischen Schmelze und Kristall auf nicht mehr als 10° eingestellt ist.
Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Schmelzenoberfläche auf Höhe des Tiegelrands oder unter diesem Rand liegen kann, sofern das abgezogene Kristallband den Tiegelrand nicht berührt. Dies bedeutet, daß der Tiegel selbst aus einem beliebigen Werkstoff hergestellt sein kann»
Weiterhin kann mit dem Verfahren gemäß Fig. 4a der dem Stand der Technik anhaftende Nachteil ausgeräumt werden, daß ein Teil der Schmelze mit dem abgezogenen Kristall mitgezogen bzw. von ihm mitgenommen wird und schließlich herabtropft, wie dies zeitweilig beim herkömmlichen horizontalen Kristallzüchten vorkommt. Die Durchführung des erfindungsgemüßen Verfahrens wird hierdurch erheblich verbessert und stabilisiert, ohne daß ein Bruch der Tiegel und eine Störung der Schmelze 1 vorkommen könnte, was zu einer Beeinträchtigung der Struktur bzw. des Gefüges und der Größe des Kristalls führen würde.
Noch ein anderer Vorteil dieses Verfahrens gemäß Fig. 4a besteht darin, daß die Hinterkante B aufgrund der Aufwärtsneigung der Abziehrichtung des Kristallbands in einer von der Tiegelkante einwärts versetzten Position liegen kann. Wenn nämlich das Kristallband in waagerechter Richtung, d.h. parallel zur Schmelzenoberfläche, abgezogen wird, muß es von dem am Tiegelrand hochquellenden Meniskusteil abgezogen werden, wobei die Lage der Hinterkante B von der Höhe des Meniskus und von der Größe der Oberflächenspannung abhängt. Bisher
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war diese Lage auf einen Abstand von höchstens 5 mm vom Tiegelrand begrenzte Wenn sich die Hinterkante B sehr nahe am Tiegelrand befindet, ist es ziemlich schwierig, günstige thermische Bedingungen zwischen der Hinterkante B und dem Tiegelrand aufrechtzuerhalten, und es bildet sich zeitweilig eine Kristallbrücke von dieser Hinterkante zum Tiegelrand. Wird das Kristallband dagegen unter einem Winkel zur Oberfläche der Schmelze abgezogen, so kann die Hinterkante B um mehr als 5 mm einwärts vom Tiegelrand liegen. In diesem Fall lassen sich die thermischen Bedingungen zwischen Tiegelrand und Hinterkante B zur Gewährleistung eines vorteilhaften Wärmeprofils ohne weiteres einstellen, indem die Abziehrichtung entsprechend gewählt und die Leistung der Kühleinrichtung 19 entsprechend geregelt wird. Bei dieser Anordnung kann daher eine Brückenbildung einfach vermieden werden.
In spezieller Ausführungsform der Erfindung wird der Kristallkeim nach leichtem Eintauchen in die Schmelze unter einem Winkel gegenüber der waagerechten Schmelzenoberfläche abgezogen, wobei das sich durch Kristallisation bildende Band mit zunehmend höherer Geschwindigkeit abgezogen und anschließend die Abziehrichtung nach Erreichen einer vorbestimmten Abziehgeschwindigkeit zur Horizontalen hin tiefer gelegt wirde Mit dieser Kombination von Verfahrensschritten können bemerkenswerte Wirkungen erzielt werden«
Wenn nämlich der Kristall nicht oder mit niedrigerer Geschwindigkeit abgezogen wird, ist es sehr schwierig, ein günstiges Wärmeprofil innerhalb der kurzen Strecke zwischen Band und Tiegelrand herzustellen, so daß häufig eine Brückenbildung auftritt. Bei dieser speziellen Ausführungsform werden diese Nachteile jedoch dadurch erfolgreich vermieden, daß der betreffende Bereich mittels der Heizeinrichtung 6 erwärmt wird. Wenn dagegen der Kristall mit höherer Geschwindigkeit (z.B. einigen hundert Millimetern pro Minute) abgezogen wird, werden
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die thermischen Bedingungen nahe der Abziehöffnung aufgrund der an der Kristallwachstums-Grenzfläche erzeugten großen Wärmemenge so stabilisiert, daß eine solche Brückenbildung normalerweise nicht auftritt. Beim Arbeiten mit hoher Geschwindigkeit läßt sich also in der Praxis ohne weiteres das waagerechte Abziehen durchführen, das für die Realisierung der hohen Kristallwachstumsgeschwindigkeit gemäß der Erfindung und für die genaue Steuerung der Geometrie des gezüchteten Kristallbands sehr vorteilhaft ist.
Zusammenfassend läßt sich sagen, daß diese Ausführungsform der Erfindung ein praktisch sehr vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung breiter, dünner Kristallbänder mit höherer Geschwindigkeit und höherem Ausbringen darstellt, ohne dabei zu den Nachteilen zuführen, die zeitweilig zu Beginn des mit hoher Geschwindigkeit erfolgenden Seitenzug-Kristallzüchtungsvorgangs zu beobachten sinde
Fig. 5 veranschaulicht eine Vorrichtung zum Abziehen eines Kristallbands unter einem kleinen Aufwärtsneigungswinkel gegenüber der Waagerechten, d.h„ der waagerechten Oberfläche der Schmelze. Das Kristallband 22 wird hierbei von der im Tiegel 3 befindlichen Schmelze 1 eines kristallinen Materials abgezogen. Der Abziehwinkel gegenüber der Schmelzenoberfläche ist mittels einer Führungs- bzw. Leiteinrichtung 51 durch voneinander unabhängige Einstellung von Tragstangen 59a und 59b einstellbar, die ihrerseits über Gewinde in einer Querplatte 50 festgelegt und dabei aufwärts und abwärts verlagerbar sind. Das Kristallband wird mit Hilfe von Leitrollen 57a und 57b sowie Antriebsrollen 57c, die ihrerseits durch einen nicht dargestellten Motor angetrieben werden, in die Leiteinrichtung 51 hineingezogen,, Mit Hilfe der beschriebenen Abziehvorrichtung kann somit der Abziehwinkel des Kristalls ohne weiteres auf einen beliebigen Wert von 0 bis 10° relativ zur waagerechten Oberfläche festgelegt werden»
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Wie für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich sein dürfte, eignet sich die Abziehvorrichtung gemäß Fige 5 ganz besonders vorteilhaft für die Durchführung des vorher beschriebenen kombinierten Verfahrens.
Bekanntlich wurde bisher stets die Herstellung eines Kristallbands hoher Güte mit hoher Geschwindigkeit undhohem Ausbringen angestrebte Soweit derzeit bekannt, hat die Umfangsform des an der Kristallwachsturns-Grenzfläche gezüchteten Kristalls einen wesentlichen Einfluß auf die Qualität bzw. Güte der erhaltenen Kristallbänder einschließlich ihrer Abmessungen und ihrer Kristallinitatβ Genauer gesagt ist die Kontur der einen Teil der Kristallwachsturns-Grenzfläche bildenden Vorderkante von erheblicher Bedeutung für die Bestimmung der Güte des hergestellten Kristallbands. Erfindungsgemäß hat es sich nun gezeigt, daß beim Seitenzug-Kristallzüchten Kristallbänder hoher Güte erzielt werden können, wenn die Kontur der Vorderkante der genannten Grenzfläche so festgelegt wird, daß sie keinen in Richtung des Kristallwachstums weisenden konkaven Abschnitt aufweist, d.ho daß die Vorderkante nur durch eine senkrecht zur Abziehrichtung des Kristallbands verlaufende gerade Linie oder eine Linie oder Kurve umrissen wird, die keinen sich in Richtung des Kristallwachstums öffnenden konkaven Teil besitzt. Genauer gesagt läßt sich die Kontur der Vorderkante so definieren, daß sie keine Randabschnitte besitzt, die gegenüber irgendeinem Punkt zu beiden Seiten der durch diesen Punkt geteilten Vorderkante in Kristallwachsturnsrichtung vorgeschoben sindo Dies schließt die Fälle ein, in denen die Vorderkante eine gerade Linie ist oder in denen die Punkte auf nur einer Seite der Linie, welche die Vorderkante an einem beliebigen Vorschubpunkt teilt bzwe halbiert, über diesen Vorschubpunkt hinaus erstrecken können«,
Fig. 6a veranschaulicht eine Ausführungsform dieses Verfahrens, in welcher die ausgezogene Linie die typische Kontur
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einer nicht-konkaven Vorderkante angibt. Die gestrichelte Linie veranschaulicht dagegen einen Fall, in welchem die Vorderkante einen konkaven Abschnitt aufweist« Die spezielle Breite, Länge und Umfangsform in Aufsicht auf den Kristallwachstumsbereich hängen von den thermischen Bedingungen im Abschnitt um diesen Bereich herum ab. Die Temperatur in diesem Abschnitt wird mittels einer Reihe von aus hochreinem Graphit bestehenden Heizelementen auf einem höheren "Wert gehalten, wobei diese Heizelemente so angeordnet sind, daß sie den Kristallwachstumsbereich umschließen und sich unmittelbar über der Schmelzenoberfläche befinden und dabei einzeln bzw. unabhängig voneinander regelbar sind. Die unmittelbar unter diesen Heizelementen liegende Schmelzenoberfläche wird auf eine Temperatur über dem Verfestigungs- bzw. Erstarrungspunkt der Schmelze erwärmt. Die Breite des Kristallwachstumsbereichs kann dabei durch eine Reihe von nicht dargestellten Heizelementen eingestellt bzw. gesteuert werden, die längs beider Seiten dieses Bereichs in Abziehrichtung angeordnet sinde Die Positionen von Vorderkante und Hinterkante lassen sich durch nicht dargestellte, nahe Vorderkante und Hinterkante angeordnete Heizelemente ebenfalls genau steuern.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem die Kontur der Vorderkante des Kristallwachstumsbereichs so definiert bzw. festgelegt ist, daß sie keinen in Richtung des Kristallwachstums weisenden konkaven Teil aufweist, kann der Kristall an der Vorderkante des Wachstumsbereichs auf beiden Seiten in jeder Richtung wachsen, ohne beim Abziehen Einschränkungen unterworfen zu sein. Der wachsende bzw. gezüchtete Kristall ist daher keinen Eigenspannungen unterworfen, so daß eine Versetzung weder auftritt, noch sich vervielfachte Der erhaltene Kristall zeigt eine vergleichsweise geringe Dichte der Versetzungen im Bereich von 1Cr bis 10 /cm o
Darüber hinaus hat es sich gezeigt, daß der bei Anwendung des
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Hochgeschwindigkeit-Abziehverfahrens erhaltene Kristall infolge des Fehlens von inneren bzwo Eigenspannungen im Kristallgefüge keinerlei Versetzung besitzt,, Etwaige Versetzungen, die in den Kristall aufgrund des vorübergehenden Auftretens von Eigenspannung, die beim Ankeimen uswo ungewollt eingeführt werden kann, vorhanden sein können, verschwinden rasch im Laufe des Kristallwachstumsβ
Wenn sich dagegen ein konkaver Abschnitt in der Vorderkante des Kristallwachstumsbereichs bildet, z.B. infolge unzweckmässiger Anordnung der nahe der Vorderkante vorgesehenen Heizelemente, führt das Vorhandensein zweier konvexer Abschnitte zur Bildung von Zonen A und B(vgl. Fig. 6b), die aus den genannten Gründen keinerlei Versetzung aufweisen, während die (in Fig. 6b schraffierte) Mittelzone konzentrierte Versetzungen zeigt. Die an den Vorderkanten beider Zonen A und B gezüchteten Einkristalle wachsen in Richtung auf die Mitte des Kristallbands und treffen einander in dieser Mittelzone, in welcher die Fehlanpassung zwischen den Kristallen aufgrund eines kleinen Temperaturunterschieds ausgeglichen werden muß, so daß sich in dieser Zone Versetzungen in hoher Dichte bilden.
Dieses Verfahren gemäß der Erfindung kann auch dann durchgeführt werden, wenn die Vorderkante des Kristallwachstumsbereichs durch eine gerade Linie begrenzt ist, die praktisch senkrecht zur Kristallwachstumsrichtung verläuft. In diesem Fall besitzt das erhaltene Kristallband die Form gemäß Fige 6a, d.h. es besitzt flache bzw. ebene Oberflächen. Im Fall einer gekrümmten Vorderkante ohne konkave Abschnitte besitzt das resultierende Kristallband eine gekrümmte Oberseite gemäß Fige 6c. In diesem Fall ist die Höhe tu gleich dem Wert sin ο , multipliziert mit der Strecke von Oberseite der Vorderkante F zum Ende der Vorderkante F0 (t = FT0 χ sin S).
Es ist darauf hinzuweisen, daß die Kontur der Hinterkante Bq1
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denselben Einfluß hat wie die Kontur der Vorderkante Fe Wenn nämlich die Hinterkante eine gerade, senkrecht zur Abziehrichtung verlaufende Linie ohne Konkavteile ist (was durch Einstellung der Temperaturverteilung im Oberflächenbereich der Schmelze um den Kristallwachstumsbereich herum auf einen Wert über dem Schmelzpunkt des Kristalls mit Hilfe nicht dargestellter, oberhalb der Schmelze angeordneter Heizelemente erreicht wird), dann besitzt die Unterseite des hergestellten Kristalls eine ebene bzw. plane Fläche. Infolgedessen läßt sich die Querschnittsform des hergestellten Kristallbands ohne weiteres durch Einstellung der Kontur in der waagerechten Ebene des Kristallwachstumsbereichs steuern. Das erfindungsgemäße Verfahren führt mithin zu einem Kristallband ohne Versetzungen und mit ebenen bzw. planen Flächen auf beiden Seiten«,
Fig. 3 veranschaulicht außerdem die Anordnung der Heizeinrichtung 5, deren Heizfläche praktisch parallel zur Kristallwachstums -Grenzfläche und in einem Abstand h von nicht mehr als 30 mm unterhalb dieser Grenzfläche angeordnet ist. In dem in Fig. 3 veranschaulichten Fall liegt die Hinterkante Bq1 mit Abstand in Einwärtsrichtung vom Rand des Tiegels 3. Da der Abstand zwischen der Kristallwachstums-Grenzflache und der Heizfläche der Heizeinrichtung 5 sehr klein ist, lassen sich die thermischen Bedingungen an und nahe dieser Grenzfläche genau steuern bzwo regeln.
Bei der Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 3 kann die Form des Kristallwachstumsbereichs infolge der Anordnung der Heizeinrichtung in einem kleinen Abstand unter der Grenzfläche genauestens und gleichmäßig ausgebildet werden, wodurch eine erfolgreiche, mit hoher Geschwindigkeit erfolgende Herstellung breiter, dünner Kristallbänder hoher Güte möglich wird»
Durch die Anordnung der Heizeinrichtung 5 unterhalb der Kristallwachstums -Grenzfläche in einem Abstand von nicht mehr als
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30 mm werden nämlich folgende Vorteile gewährleistet: einfache Bildung einer vergleichsweise flachen Kristallwachstums-Grenzfläche in einer vorbestimmten Position; schnelles Ansprechen auf Änderungen der thermischen Bedingungen an dieser Grenzfläche und präzise Steuerung der Beheizung mittels der Heizeinrichtung»
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Claims (1)

  1. 2 8. Juli 1976
    Patentansprüche
    1· Verfahren zum Züchten eines dünnen Kristallbands, bei dem das Kristallband von einer Schmelze einer kristallinen Substanz mit demselben Kristallgefüge wie das Kristallband abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallband quer bzw. seitlich abgezogen wird und daß das Verhältnis zwischen der Strecke von Vorderkante (F) zur Hinterkante (B) eines Kristallwachstumsbereichs und der Dicke des Kristallbands auf nicht weniger als 5>7 eingestellt wird, indem die Temperatur im Schmelzen-Oberflächenbereich, in welchem der Kristall gezüchtet werden soll, auf einen Wert unter dem Schmelzpunkt der Schmelze verringert und dadurch eine sich in Kristallwachstumsrichtung erstreckende überkühlte Schicht gebildet wirde
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Strecke von Vorderkante zu Hinterkante des Kristallwachstumsbereichs und der Dicke des Kristallbands au^hicht weniger als 50 eingestellt wird.
    3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Verhältnis auf nicht weniger als 2000 eingestellt wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallband in waagerechter Richtung von der Schmelze abgezogen wird«,
    5c Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallband unter einem Winkel zur waagerechten Schmelzenoberfläche von der Schmelze abgezogen wird*
    6β Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallband in der Weise von der Schmelze abgezogen wird,
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    daß die Position der Hinterkante (B) des Kristallwachstumsbereichs innerhalb der Linie liegt, an welcher das kristallisierte Band von der Schmelze abgezogen wird,
    7. Verfahren zum Züchten eines dünnen Kristallbands, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Kristallband von einer Schmelze einer kristallinen Substanz mit demselben Kristaligefüge wie das Kristallband abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallband unter einem Winkel von höchstens 10° gegenüber der waagerechten Schmelzenoberfläche in Aufwärtsrichtung von der Schmelze abgezogen wird.
    8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallband von einem Schmelzenbereich abgezogen wird, der mit Abstand einwärts vom Rand des Schmelzenbehälters liegt.
    9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Strecke von Vorderkante (F) zur Hinterkante (B) eines Kristallwachstumsbereichs und der Dicke des Kristallbands auf nicht weniger als 5,7 eingestellt wird, indem die Temperatur im Schmelzen-Oberflächenbereich, in welchem der Kristall gezüchtet werden soll, auf einen Wert unter dem Schmelzpunkt der Schmelze verringert und dadurch eine sich in Kristallwachsturnsrichtung erstreckende überkühlte Schicht gebildet wird.
    10.Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallband anfänglich unter einem Winkel von höchstens 10 gegenüber der waagerechten Schmelzenoberfliehe in Aufwärtsrichtung abgezogen wird und daß die Abziehrichtung allmählich auf die Waagerechte abgesenkt wird, nachdem die Abziehgeschwindigkeit einen vorbestimmten Wert erreicht hato
    11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
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    das Verhältnis zwischen der Strecke von Vorderkante (F) zur Hinterkante (B) eines Kristallwachstumsbereichs und der Dicke des Kristallbands auf nicht weniger als 5,7 eingestellt wird, indem die Temperatur im Schmelzen-Oberflächenbereich, in welchem der Kristall gezüchtet werden soll, auf einen Wert unter dem Schmelzpunkt der Schmelze verringert und dadurch eine sich in Kristallwachsturnsrichtung erstreckende überkühlte Schicht gebildet wird.
    12, Verfahren zum Züchten eines dünnen Kristallbands, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Kristallband von einer Schmelze einer kristallinen Substanz mit demselben Kristallgefüge wie das Kristallband abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallband quer bzw. seitlich abgezogen wird und daß die Kontur der Vorderkante des Kristallwachstumsbereichs auf eine Form eingestellt wird, bei welcher keine Rand- oder Kantenabschnitte vorhanden sind, die in Kristallwachstumsrichtung gegenüber einem Punkt zu beiden Seiten der durch diesen Punkt geteilten bzw· halbierten Vorderkante vorgeschoben sind, indem die Temperatur in dem den Kristallwachstumsbereich umschließenden Schmelzen-Oberflächenbereich auf einen Wert über dem Schmelzpunkt des Kristalls erhöht wird.
    13o Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderkante auf eine Kontur in Form einer senkrecht zur Abziehrichtung des Kristallbands verlaufenden geraden Linie eingestellt wird.
    14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur der Vorderkante auf eine Linie eingestellt wird, die keinen konkaven Teil in bezug auf die Kristallwachstumsrichtung besitzt.
    15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
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    das Verhältnis zwischen der Strecke von Vorderkante (P) zur Hinterkante (B) eines Kristallwachstumsbereichs und der Dicke des Kristallbands auf nicht weniger als 5,7 eingestellt wird, indem die Temperatur im Schmelzen-Oberflächenbereich, in welchem der Kristall gezüchtet werden soll, auf einen Wert unter dem Schmelzpunkt der Schmelze verringert und dadurch eine sich in Kristallwachsturnsrichtung erstreckende überkühlte Schicht gebildet wird.
    16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallband in waagerechter Richtung von der Schmelze abgezogen wird.
    17. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallband unter einem Winkel von höchstens 10° ge< über der waagerechten Schmelzenoberfläche abgezogen wird
    18. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallband von einem Schmelzenbereich abgezogen wird, der in Einwärtsrichtung auf Abstand vom Rand des Schmelzenbehälters liegt.
    19. Verfahren zum Züchten eines dünnen Kristallbands, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Kristallband von einer Schmelze einer kristallinen Substanz mit demselben Kristallgefüge wie das Kristallband abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallband quer bzw0 seitlich abgezogen wird und daß eine Heiz« einrichtung mit einer praktisch parallel zur Kristallwachsturns-Grenzfläche liegenden Heizfläche in einem Abstand von höchstens 30 mm unter dem Kristallwachstumsbereich angeordnet wirdo
    20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Strecke von Vorderkante (F) zur Hinterkante (B) eines Kristallwachstumsbereichs und der Dicke des Kristallbands auf nicht weniger als 5,7 ein-
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    gestellt wird, indem die Temperatur im Schmelzen-Oberflächenbereich, in welchem der Kristall gezüchtet werden soll, auf einen Wert unter dem Schmelzpunkt der Schmelze verringert und dadurch eine sich in Kristallwachstumsrichtung erstreckende überkühlte Schicht gebildet wird.
    21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur der Vorderkante des Kristallwachstumsbereichs auf eine Form eingestellt wird, bei welcher keine Rand- oder Kantenabschnitte vorhanden sind, die in Kristallwachstumsrichtung gegenüber einem Punkt zu beiden Seiten der durch diesen Punkt geteilten bzw„ halbierten Vorderkante vorgeschoben sind, indem die Temperatur in dem den Kristallwachstumsbereich umschließenden Schmelzen-Oberflächenbereich auf einen Wert über dem Schmelzpunkt des Kristalls erhöht wird.
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DE2633961A 1975-07-28 1976-07-28 Verfahren zum Ziehen eines dünnen Halbleiter-Einkristallbandes Expired DE2633961C2 (de)

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