DE2933976A1

DE2933976A1 - Verfahren zum herstellen von kristallen hoher kristallguete.

Info

Publication number: DE2933976A1
Application number: DE19792933976
Authority: DE
Inventors: Georg Prof. Dr. 91094 Langensendelbach Müller; Herbert Prof. Dr. 8000 München Weiß
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-08-22
Filing date: 1979-08-22
Publication date: 1981-03-26

Description

Dr. G. Müller
Birkenstraße 17, 8521 Langensendelbach Prof. Dr. H. Weiß Normannenstraße 25, 8000 München 81 Verfahren zum Herstellen von Kristallen hoher Kristallgute.
(Zusatz zum Patent ..... Patentanmeldung P 28 42 605.3) Die Hauptanmeldung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Kristallen hoher Kristallgüte, insbesondere von fur elektronische oder elektrooptische Halbleiterbauelemente als Ausgangsmaterialien verwendbare Sinkristalle, durch Ziehen der Kristalle aus der flüssigen Phase oder durch Aufwachsen der Kristalle aus der, das Kristallmaterial enthaltenden Gasphase, bei dem während des Kristallwachstums das für die Kristallbildung vorliegende Kristallzüchungssystem mit einer, die Ausbildung einer zeitlich konstanten, stark stationären Konvektionsströmung unterstützenden Schwerebeschleunigung beaufschlagt wird und bei dem zur Erzeugung der Schwerebeschleunigung eine Zentrifuge vensendet wird, an bzw. auf deren Arm das Kristallzüchtungssystem angeordnet wird.
Die vorliegende Patentanmeldun-g betrifft eine Weiterbildung des in der Hauptanmeldung beschriebenen Verfahrens.
Diese Weiterbildung besteht erfindungsgemäß darin, daß die stark stationäre Konvektionsströmung auf der Zentrifuge dadurch eingestellt wird, daß die Zentrifugalbeschleunigung bis zum gewünschten Sollwert in Schritten kleiner 0,1 g (g = ErdbeschleuniOung = 9,81 m/sec2) gesteigert wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung wird die Zentrifugalbeschleunigung in Schritten von 0,05 g gesteigert, und zwar vorzugsweise in Zeitintervallen von 3 Minuten. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, von einer Zentrifugalbeschleunigung von 1,0g auszugehen.
Gegenüber dem in der Hauptanmeldung beschriebenen Verfahren lassen sich durch die Einstellung von sehr kleinen Schrittwerten der Zentrifugalbeschleunigung zur Steigerung bis auf den gewünschten Sollwert die bei zu großen Schritt-* weiten (größer 1 g ) auftretenden uneniünschten oszillatorischen Strömungen sicher vermeiden.
Zur Durchführung des Verfahrens wird eine Anordnung benutzt, wie sie im Prinzip in Figur 1 dargestellt ist. Die Figur 2 zeigt im Schnittbild ein Kristallzüchtungssystem, welches nach der Lehre der Erfindung vensendet werden kann.
Auf dem horizontal betriebenen Arm 1 einer Zentrifuge wird als Kristallzüchtungssystem ein Dreizonenofen 2 mit einem stationären Temperaturgradienten montiert. In ihm befindet sich das für die Kristallzüchtung vorgesehene Material 17, z. 3. eine aus Inidumantimonid mit Tellur- dotierung versehene Schmelze. Das Kristallzüchtungssystem wird mit seiner Rohrachse parallel zur Richtung der Zentrifugalkraft angeordnet. Symmetrisch zum Drehpunkt wird eine, in der Figur 1 nicht dargestellte Ofenattrappe so angebracht, daß die dynamische Unwucht möglichst gering ist.
Zur stufenlosen Drehzahl änderung und ruckfreien graftübertragung wird über eine Regeleintent 3 ein elektronisch geregelter Nebenschlußmotor 4 verwendet, der die Zentrifuge (1) über Keil- oder Zahnriemen antreibt (siehe Pfeile 5). Die Geschwindigkeit kann im Bereich von 12 bis 250 U/min variiert werden; der maximal zu erreichende Beschleunigungsradius beträgt 0,75 m. Dies entspricht Beschleunigungen von 1 bis 50-g . Die Drehzahlmessung 5 erfolgt berührungslos mit einem elektromagnetischen Näherungsschalter 7. Der Strom 8 zur Versorgung der Kristallziehvorrichtung 2 wird mit einem Schleifrin¢-system 9 übertragen, so daß die Leistungsversorgung im Labor angeordnet werden kann. Die erforderlichen Regel-(10) und Meßsignale (11) zur Temperaturregelung werden von Thermoelementen geliefert. Die Thermospannungen werden mit beschleunigungsfesten Verstärkern 10, 11 auf dem Zentrifugenarm 1 in den Voltbereich verstärkt und dann auch über Schleifringe (9) in die Eingänge von Regel- 12 und Datenerfassungseinheiten 13 übertragen. Mittels automatischer Programmsteuerung 14 kann ein im Ofen eingestellter Temperaturgradient in axialer Richtung erschoben" werden. Mit dem Bezugszeichen 15 ist die tassekühlung der Anordnung bezeichnet, die dafür sorgt, daß der Rohrofen 2 unbeeinflusst vom, durch die Rotation erzeugten Luftstrom bleibt. Die Pfeile 16 markieren die Durchlaufrichtung des Kühlwassers.
Mit dieser Vorrichtung können Kristalle (17) von 25 um Durchmesser und 200 mm Länge bis zu 10000C bei einer 1 bis 50-fachen Erdbeschleunigung (g*) gezüchtet werden.
Dies gilt sowohl für die-Ofenanordnung, bei des der Temtera turgradient parallelzur Schwerkraft wie in der Figur 1 beschrieben, ausgerichtet ist, als auch für die Anordnungen, bei denen der Temperaturgradient senkrecht zur resultierenden 3eschleunigungskraft eingestellt wird.
In Figur 2 ist im Schnittbild ein Kristallzüchtungssystem (17) dargestellt, bei der die resultierende Beschleunigung- parallel zur Rohrachse wirkt. Der Temperaturgradient ist parallel zur Richtung der Zentrifugalbe schleunigung gerichtet. Für einen gegebenen Temperaturgradienten im Ofen gibt es einen Bereich der Beschleunigung, in dem eine stabile Konvektion exisitiert. Dieser kann für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung hochperfektionierter Kristalle ausgenutzt werden. In Figur 2 wird das Kristallmaterial, das beispielsweise aus Indiumantimonid 20 mit Tellurdotierung (1019cm 3) besteht, in einem einseitig geschlossenen Quarzrohr 21 aufgeschmolzen und mit Wasserstoff von 500 Torr gefüllt.
über die Länge des Quarzrohres 21 erstrecken sich die drei Ofenzonen 26, 27 und 28. Die Beheizung erfolgt durch eine Widerstandsheizwicklung (in der Figur nicht dargestellt). In der Indiumantimonidschmelze 20 mit Telludotierung befinden sich in einer koaxialen Quarzkapilare 30 in unterschiedlicher Höhe zur Messung des Temperaturgradienten, der stets parallel zur Zentrifugalkraft ausgerichtet ist, vier Mantelthermoelemente 22, 23, 24, 25 aus Nickel/Nickelchrom, die nach außen geführt sind.
Die Zentrifuge wird zunächst mit langsamer Drehzahl (bis 1,0.g*) betrieben. Dabei wird das Kristallmaterial 20 aufgeschmolzen und ein Temperaturgradient zwischen 0,5 und 10 K/cm mit der Oferheizung eingestellt. Der Temperaturgradient G in der Schmelze wird durch die Temperaturdifferenz von Thermoelement 1 und 4 und deren Abstand definiert. Ein Temperaturgradient G von 12,3 K/cm (K = °kelvin) parallel zur Beschleunirlng wird aufrechterhalten. Die Thermoelemente zeigen stationäre Temperaturen in der Schmelze. Das Temperaturprogramm für eine gerichtete Erstarrung mit einer Abkühlrate von 1,25 K/min für lede Zone wird eingestellt. Wenn sich stationäre Temperaturverhältnisse in der Schmelze eingestellt haben (nach ca. 1 Stunde) wird die Zentrifugalbeschleunigung * * von 1,0g in Schritten von 0,05.g gesteigert, um Temperaturschwingungen in der Schmelze zu erzeugen. Bei * einem Endwert von 1,45.g zeigen die Thermoelemente 22, 23 und 24 Temperaturschwingungen mit maximalen Amplituden von 2,5 K; diese Temperaturschwank'gen enthalten mehrere Frequenzen. Amplituden von 0,05 K werden durch das Thermoelement 25 angezeigt, welches bereits im Erstarrungsbereich ist. Jetzt wird die Abkühlphase mit einer Rate von 0,25 K/min eingeleitet. Während der nächsten 10 Minuten wächst der Kristall ohne Temneraturschwingungen der Schmelze. Der gewachsene Indiumantimonidkristall ist frei von Kristall störungen in Form von striations. In dieser Zeit befindet sich dann auch das Thermoelement 24 im Erstarrungsbereich.
4 Patentansprüche 2 Figuren Leerseite

Claims

Patentansprüche, 1. Verfahren zum Herstellen von Kristallen hoher Kristallgüte, insbesondere von für elektronische oder elektrooptische Halbleiterbauelemente als Ausgangsmaterialien verwendbare Einkristalle, durch Ziehen der Kristalle aus der flüssigen Phase oder durch Aufwachsen der Kristalle aus der, das Kristallmaterial enthaltenden Gasphase, bei dem während des Kristallwachstums das für die Kristallbildung vorliegende Kristallzüchtungssystem mit einer, die Ausbildung einer zeitlich konstanten stark stationären Komvektionsströmung unterstützenden Schwerebeschleunigung beaufschlact wird und bei dem zur Erzeugung der Schwerebeschleunigung eine Zentrifuge verwendet wird, an bzw.

auT deren Arm das Kristallzüchtungssystem angeordnet wird, nach Patent ..... (Patentanmeldung P 28 42 605.3), d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die stark stationäre Konvektionsströmung aui der Zentriiuge dadurch eingestellt wird, daß die Zentrifugalbeschleuni,oung bs * zum gewünschten Sollwert in Schritten kleiner 0,1-g (g = Erdbeschleunigung = 9,81 m/sec2) gesteigert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Zentrifugalbeschleunigung in Schritten von 0,05.g* gesteigert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, d adu r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Zentrifugalbe schleunigung in Zeitintervallen von 3 Minuten gesteigert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß von einer Zentrifugalbe-* schleunigung von 1,0g ausgegangen wird.