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EINRICHTUNG ZUR GRUPPENWEISEN ZÜCHTUNG VON
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EINKRISTALLEN AUS DER SCHMEIZE Die Erfindung bezieht sich auf die
Technik der Einkristallzüchtung aus der Schmelze unter Anwendung eines Keimmkristalls,
insbesondere auf Einrichtungen zur gruppenweisen Züchtung von Einkristallen aus
der Schmelze.
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Am vorteilhaftesten kann die vorliegende Erfindung zur gruppenweisen
Züchtung von Einkristallen von Halbleitermaterialien und deren Verbindungen verwendet
werden.
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Die bekannten Einrichtungen zur Züchtung von Einkristallen nach der
Czochralski-Methode (siehe Czochralski 1. Zeitschr.
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fur phys. Chem. 1918, 92 - 219) enthalten eine luftdicht abgeschlossene
metallische Kammer mit Wassergekühlten Wänden.
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Im Inneren der Rammer ist in deren unterem Teil ein Tiegel angeordnet,
dessen vertikale Achse in der Regel mit der vertikalen Achse der Kammer zusammenfällt.
Der Tiegel befindet sich in einem von Wärmeschildern umgebenen Heizapparat und
ist
an einer vertikalen sich drehenden Stange befestigt, die durch den Kammerboden luftdicht
eingeführt ist und deren Achse mit der Tiegelachse zusammenfällt. Die Stange ist
in und, der axialen Richtung beweglich, geht luftdicht durch den Kammerdeckel hindurch.
Das untere Ende der Stange trägt den Halter des Keinkristalls, das obere ist mit
einem Mittel zur Drehung und axialen hin- und hergehenden Verschiebung derselben
verbunden.
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Der Züchtungsvorgang eines Einkristalls findet folgendermaßen statt.
Die Kammer wird luftdicht abgeschlossen, dann wird sie evakuiert oder mit einem
Edelgas gefüllt. Mit Hilfe des Heizapparates wird das Ausgangsmaterial, beispielsweise
Silizium, im Tiegel einbqeschmolzen, dann wird die Stange mit dem Halter des Keimmkristalls
auf solche Weise abgesenkt, daß der Keimknstall mit der Schmelse in Beruhrung kommt.
Nachdem man die erforderlichen Drehgeschwindigkeiten des Tiegels und der Stange
mit dem Keimmkristall sowie die Temperatur der Schmelze eingestellt hat, hebt man
langsam die Stange mit dem Keimmkristall. Hierbei wächst ein Binkristall am Kristallkeim.
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In manchen Fällen werden zur Steuerung des technologischen Prozeßablaufs
der Einkristallzüchtung Programmeinrichtungen und EHM eingesetzt.
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Die Erzeugung von Binkristallen mit vorgegebenen elektrophysikalischen
Parametern und einer vollkommenen Kristallinen Struktur fordert die Erfül2-ung einer
Reihe komplizierter Bedingungen.
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Es müssen an der Kristalisationfront Bedingungen einer Wärmebilanz
gewährleistet werden, bei der zur sind abgeführte Wärmeströme genau aufeinander
abgestimmt sind.
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Die Form der Kristallisationsfront ist zur Formierung einer Versetzungsstruktur
des Einkristalls auch sehr wichtig.
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Richtige Wahl der Kristallisationsgeschwindigkeit, Gewahrleistung
der Identität der Wärmebedingungen an verschiedenen Stellen des Kristalls, d.h.
Gewährleistung der Wärmesymmetrie, und Erfüllung einer Reihe technologischer bnforderungen,
die mit der Dotierung des Ausgangsmaterials verbunden sind> lassen das Problem
der Erzeugung von qualitätsgerechten Einkristallen erfolgreich lösen.
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Die beschriebene Einrichtung ist verhältnismäßig leistungsschwach,
da der Durchmesser des Kristalls und die Wachstumsgeschwindigkeit desselben beschränkt
sind. Eine Vergrößerung des Kristalldurchmessers erfordert eine beträchtliche Vergrößerung
des Durchmessers des Tiegels, des Heizapparates und des Wärmesystems, was die Einrichtung
kompliziert und teurer machte Die Erhöhung der Wachstumgeschwindigkeit führt in
der Regel zur Verschlechterung der Qualität der Einkristalle infolge der erschwerten
Erzeugung von Temperaturgradierten und der Entstehung erheblicher Wärmespannungen
im Kristall.
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Bekannt ist eine Einrichtung, die gleichzeitig mehrere Einkristelle
zu züchten erlaubt (siehe US-PS 32 28 753)e
Die Einrichtung stellt
eine luftdichte Klammer dar, in deren Innerem sich ein Tiegel befindet, der eine
Halbleiterschmelze enthält, Der Tiegel ist in einem Heizer angeordnet, der an den
Außenseiten von lärmeschildern umgeben ist. Uber der Schmelze sind mehrere vertikal
angebrachte Stangen ange ordnet, deren Achsen parallel sind und von der vertikalen
Tiegelachse sowie voneinander gleich abstehen. An ihren unteren Enden weisen die
Stangen Halter für die Keimkristalle auf. Die cberen Enden der erwähnten Stangen
sind in einem Steuermechanismus befestigt, der innrhalb der Kammer auf einer hohlen
Welle angeordnet ist, deren Achse mit der vertikalen Achse des Tiegels zusammenfällt,
Koaxial zur erwRhnten Welle verläuft eine zentrale Welle, deren oberes Ende aus
der hohlen zelle herausragt und mit einem Mittel zur Drehung derselben verbunden
ist, während das untere Ende Zahnräder trägt, die mit ähnlichen Zahnrädern in Eingriff
treten, die an den erwähnten Stangen befestigt sind. Die hohle Welle ist mit Mitteln
zur Drehung und axialen hin- und hergehenden Verschiebung derselben verbunden und
in die Kammer luftdicht eingefrhrt.
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Die beschriebene Einrichtung arbeitet auf die folgende Weise. Nach
der Einschmelzung des Halbleitermaterials is Tiegel senkt man die hohle Welle mit
dem Steuermechanismus, der die Stangen mit den Haltern der Keinkristalle trägt,
in solcher Weise ab, daß die Keimkritalle mit der Schmelze in Kontakt treten. Dann
wird, nachdem die erforderliche Temperatur
der Schmelze und die
erfolderlichen Äxialverschiebungssowie Drehgeschwindigkeit der Stangen mit den Keimkristallen
und des Tiegels gewählt worden sind, der Züchtungsvorgang der Einkristalle durchgeführt
Hierbei wird die Drehbewiegung der zentralen Welle mit Hilfe der erwähnten Zahnradgetriebe
zu den Stangen übertragen, von denen jede sich um ihre eigene Achse dreht.
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Die Drehbewegung, die auf die hohle Welle übertragen wird, ruft die
Drehung des Steuermechanismus hervor, wobei sich die Stangen mit den Haltern der
Keimkrstalle um die Tiegelachse drehen. Auf diese Gleise führt jede der Stangen
eine zusammengesetzte Orbitalbewegung aus, indem sie sich gleichzeitig um ihre eigene
Achse und um die Tiegelachse dreht.
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Der Hauptnachteil der beschriebenen Einrichtung ist geringe Betriebssicherheit
derselben beim Züchten von Einkristallen. Dies ist durch die Anordnung des Steuermechanismus
im Innern der Kammer in der unmittelbaren Nähe des Heizers bedingt. Die Wärmeübertragung
(durch Konvektion und Strahlung) erwärmt Stangen, Lager, in denen sie gelagert sind,
und Zahnräder, die die Drehbewegung zu den Stangen mit den Haltern einer, der Keimkristalle
übertragen. Dies führt zu instabilen Drehung der erwähnten Stangen infolge Festfressen$
derselben in den Lagern und Vibrieren der ganzen Einrichtung Die Orbitalbewegung
die zur Mittelung der Wärmebedingungen des Kristallwachatums notwendig ist, bringt
eine Komplizierung der Konstruktion dor Einrichtung mit sich.
Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung der vorstehend erwähnten Nachteile.
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liegt Jer vorllegenGen brrIndung die ausgabe zugrunde eine Einrichtung
zur gruppen;seisen Kristallzüchtung zu schaffen, in der der Steuermechanismus keiner
Einwirkung des Wärmesystems der Einrichtung ausgesetzt ist.
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Dies wird bei einer Einrichtung zur gruppenweisen Züchtung von Einkristallen
aus der Schmelze, die eine luftdicht abgeschlossene Kammer mit einem Tiegel für
die Schmelze, der sich in einem von Wärmeschildern umgebenen Heizer befindet, mehrere
vertikal angebrachte Stangen mit den Haltern für Keimkristall, deren Achsen parallel
sind und von der vertikalen Tiegelachse sowie voneinander gleich abstehen, ein Mittel
zur Verschiebung der Stangen in der vertikalen Richtung sowie ein Mittel zur Drehung
der Stangen um ihre Achsen einschließt, das einen Steuermechanismus zur Ubertragung
der Drehbewegung von der Antriebswelle zu jeder der erwähnten Stangen enthält, deren
obere Enden im Steuermechanismus befestigt sind, während die unteren Enden die Halter
der Keinkristalle tragen, erfindungsdadurch gelöst. daß gemäß der Steuermechamismus
außerhalb der Kammer angeordnet eines ist, während die Stangen mit Kanälen zum Umlauf
Kühlmittels versehen sind und die Länge der Stangen mit der Höhe der Kammer vergleichbar
ist, in die die Stangen durch den Deckel derselben luftdicht eingeführt sind, sowie
dadurch, daß ein Mittel zur Eistellverschiebung der Stangen mit dem
Steuermechanismus
in der horizontalen ebene zur Zentrierung der Stangen bezüglich der vertikalen Tiegelachse
vorhanden ist.
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Die Erfindung gestattet es, die Betriebssicherheit der Einrichtung
dank der Anordnung des Steuermechanismus außerhalb der Kammer beträchtlich zu erhöhen.
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Hierbei wird die Konstruktion der Einrichtung ohne Herabsetzung ihrer
Arbeitsleistung veieinfacht und verbilligt.
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Außerdem erlaubt es diese Konstruktion der Einrichtung, sinkristalle
sowohl im Inertgasmedium, wie auch im Vakuum zu züchten.
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In sehr zweckmäßiger Weise enthält das Mittel zur Einstellverschiebung
der Stangen mit dem Steuermechanismus in der horizontalen ebene an der Kammer befestigte
Kragstücke, die Schrauben tragen und mit dem Kammerdeckel zusammenwirken, der in
der horizontalen ebene beweglich angeordnet ist.
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Diese Konstruktion der Einrichtung gewährleistet eine solche Anordnung
der Stangen mit den Haltern der Keinkristalle, bei der gleichzeitige Erzeugung von
mehreren Einkristallen gleichen Durchmessers gewährleistet wird.
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Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus
der nachfolgenden eingehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der
Zeichnungen verständlich in den Zeichnungen zeigt: Fig. 1 schematische Darstellung
der Einrichtung gemäß der Erfindung (im vertikalen Schnitt);
Fig.
2 eine der Konstruktionsvarianten des Tiegels (im vertikalen Schnitt).
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Die Linrichtung zur gruppenweisen Züchtung von Einkristallen aus
der Schmelze ist in Fig. 1 dargestellt.
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Die einrichtung enthält eine luftdicht abgeschlossene Kammer 1, in
deren Innenraum ein Tiegel 2 mit Schmelze 3 angeordnet ist. Der Tiegel 2 ist auf
einer wassergekühlten Stange 4 angebracht, die mit Hilfe einer Dichtung 5 in den
Boden 6 dcr Kammer 1 luftdicht eingeführt ist. Der Tiegel 2 ist von einem Graphit-Elektroheizer
7 umgeben, der mittels Stromdurchführungen 8 eingebaut ist, die mit Hilfe von Dichtungen
9 in den Boden 6 der Klammer 1 luftdicht eingeführt und von der Klammer 1 elektrisch
isoliert sind. Der Eleatroheizer 7 ist seinerseits von einem Satz von Wärmeschildern
10 umgeben, die an einem Untersatz 11 angeordnet sind.
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In die Kammer 1 sind durch den Deckel 12 mit Hilfe von Dichtungen
13 mehrere vertikale Stangen 14 luftdicht eingeführt, an deren unteren inden Halter
16 von Keinkristallen 16 befestigt sind. Die Achsen der Stangen 14 sind parallel
und stehen von der Achse des Tiesels 2 und voneinander gleich weit ab. Die Lange
der Stangen 14 ist mit der Höhe der Kammer 1 vergleichbar und übersteigt die Länge
der gezüchteten Kristalle.
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Die oberen Enden der Stangen 14 sind in einem Steuermechnnismus 17
befestigt, in dessen Gehäuse 18 sich an den Stangen 14 befestigte Zahnräder 19 befinden,
die mit einem Zahnrad 20 im Eingriff stehen, das an einer zentralen Welle 21 befestigt
ist. Das Mittel zur Drehung der Stangen 14 um ihre Achsen enthält einen Elektromotor
22, der über ein Getriebe
23 mit dem oberen Ende der zentralen
Welle 21 zur Übertragung der Drehbewegung auf dieselbe verbunden ist.
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Das Mittel zur Verschiebung der Stangen 14 in der verti-Ballen Richtung
ist in Form einer Mutter 24 ausgeführt, die mit einer Schraubenspindel 25 in Zusammenwirkung'
steht, die über ein Getriebe 26 mit einem Elektromotor 27 verbunden ist. Die Schraubenspindel
25 mit dem Getriebe 26 und dem Elektromotor 27 sind an einem Tragstück 28 angebracht,
das mit der arnaer 1 starr verbunden ist.
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Die Mutter 24 ist an einem Tragstück 29 befestigt, das mit dem Gehäuse
18 des Steuermechanismus 17 verbunden ist.
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Die oberen inden der Stangen 14, die über das Gehäuse 18 des Steuermechanismus
17 hinausragen, sind mit Köpfen 30 versehen, die am Gehäuse 18 befestigt sind und
Stutzen 31 für die Zu- und Abführung des Kühlmittels aus den Kanälen (nicht abgebildet)
der Stangen 14 besitzen.
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Die Köpfe 30 sind mit Dichtungen 32 versehene Der Deckel 12 der Kammer
1 ist in der horizontalen Ebene beweglich angeordnet. Zu diesem Zweck sind im Deckel
12 Bohrungen 39 vorhanden, in denen Schrauben 34 angeordnet sind, wobei der Durchmesser
der Bohrungen 33 den Durchmesser der Schrauben 34 beträchtlich übersteigt. Der luftdichte
Abschluß des Deckels 12 wird mit Hilfe einer Dichtung 35 erreicht, die an dessen
Innenfläche angebracht ist. Außerdem sind an der Stirnseite der Kammer 1 am Umfang
des Deckels 12 Tragstücke 36 befestigt, die Schrauben 37 tragen. Die Schrauben 37
stehen mit der zylindrischen Außenfläche des Deckels 12 in Beruhrung und
dienen
zur Verschiebung desselben in der horizontalen Ebene Die Zahl der Kragstücke 36
mit den Schrauben 37 muß die Möglichkeit der Einstellverschiebung . des Deckels
12 in jeder beliebigen Horizontalrichtunz gewährleisten, erfindungsgemäße Die Einrichtung
arbeitet folgendermaßen.
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Vor dem Arbeitsbeginn wird die Zentrierung der Stangen 14 bezüglich
der vertikalen Achse des Tiegels 2 vorgenommen.
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Hierzu wird der Anzug der Schrauben 34 gelockert und durch Drehen
der Schrauben 37 der Deckel 12 derart eingestellt, daß die Stangen 14 von der vertikalen
Achse des Tiegels 2 in gleichem Abstand liegen. Danach werden die Schrauben 34 angezogen,
wodurch die Kammer 1 luftdicht abgeschlossen wird, Von der Genauigkeit der Zentrierung
der stangen 14 hängt die Identität der Durchmesser der Einkristalle ab.
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Ach @@endeter Zentrierung der Stangen 14 wird der Boden 6 der Kammer
1 gelöst, und in die Rammer 1 wird das Ausgangsmaterial 3 eingetragen. Nach erfolgter
Beschickung wird der Boden 6 an die Kammer 1 angeschlossen, die Kammer wird luftdicht
abgeschlossen und evakuiert.
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Der Prozeß der Bildung von Einkristallen findet im Vakuum, dessen
Höhe 1.10 5 Torr erreichen kann, oder aber im Inertgasmedium, beispielsweise im
Argon, statt.
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Mit Hilfe des Heizers 7 wird im Tiegel 2 das Ausbangmaterial 3 eingeschmolzen.
Die Temperatur der Schmelze wird nahe der Kristallisationstemperatur des Ausgangsmaterial
eingestellt. Dann wird der Elektromotor 27 eingeschaltet, der
über
das Getriebe 26 die Drehbewegung auf die Schraubenspindel 25 überträgt. Bei der
Drehung der Schraubenspindel 25 zieht die Mutter 24, indem sie sich nach unten verschiebt,
den mit ihr verbundenen Steuermechanismus 17 mit den Stangen 14 bis zur Berührung
der Keimkristalle 16 mit dBr Oberfläche der Schmelze 3 mit.
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Danach wird der Elektromotor 27 abgeschaltet und der Hlektramotor
22 eingeschaltet, der über das Getriebe 23 die zentrale Welle 21 des Steuermechanismus
17 zu drehen beginnt.
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Das Zahnrad 20, das auf der Welle 21 befestigt ist, überträgt die
Drehbewegung über die Zahnräder 19 gleichzeitig zu allen Stangen 14. Es wird die
Drehung der Stange 4 des Tiegels 2 eingeschaltet. Nachdem man die erforderliche
Ziehgeschwindigkeit der Linkristalle aus der Schmelze 3 eingestellt hat, schaltet
man den Elektromotor 27 erneut ein, der die Drehbewegung auf die Schraube 25, aber
in der entgegengesetzten Richtung überträgt. Hierbei verschiebt sich der Steuermechanismus
17 mit den Stangen 14 langsam nach oben. Auf diese Weise findet der Prozeß der gleichzeitigen
Züchtung von mehreren Einkristallen statt indem die erforderliche Regelung der Schmelzguttemperatur
und der Ziehgeschnindigkeit der Einkristalle gewährleistet wird.
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Die Effektivität des Züchtu3gsprozesbes ist von der Ausnutzung der
ganzen im Tiegel 2 befindlichen Schmelze 3 abhängig. Die übliche halbsphärische
Form des Tiegels 2 gestattet es beim Züchten der Einkristalle nach der gruppenweisen
Methode
nicht, die Schmelze aus dem Tiegel restlos herauszunehmen. Deswegen wird zweckmäßigerweise
ein Tiegel 2 verwendet, wie in Fig. 2 dargestcllt ist. Im Boden des Tiegels 2 ist
eine ringförmige Vertiefung 38 vorhanden, deren Außendurchmesser dem Durchmesser
des Tiegels 2 gleich ist, während der Durchmesser des tiefsten Teils der Vertiefung
dem Durchmesser einer gedachten Kreislinie gleich ist, die durch die vertikalen
Achsen gezüchteter Kristalle 39 geht.
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Am Ende des Züchtungsprozesses sammelt sich die Schmelze 3 in der
Vertiefung 38 an, was ihre vollständige Ausnutzung ermöglicht.
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L e e r s e i t e