DE3814259A1

DE3814259A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines einkristalls eines verbindungshalbleiters

Info

Publication number: DE3814259A1
Application number: DE3814259A
Authority: DE
Inventors: Shoichi Ozawa; Katsumi Wagatsuma; Toshio Kikuta
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1987-04-28
Filing date: 1988-04-27
Publication date: 1988-11-10
Also published as: GB2205087A; GB8809809D0; GB2205087B; US4904336A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor richtung zur Herstellung eines Einkristalls eines Verbin dungshalbleiters mittels vertikaler Verfestigung.

Übliche Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls eines Verbindungshalbleiters mittels vertikaler Verfestigung bzw. Kristallisierung verwenden eine graduelle Kühltechnik mit einem vertikalen Temperaturgradienten (Journal of Crystal Growth 74 (1986) 491-506). Bei diesen Verfahren wird ein vorher synthetisierter Polykristallverbindungshalbleiter als Rohmaterial verwendet und in einem Schmelztiegel angeordnet und geschmolzen. Die erhaltene Schmelze wird mit einem Impf kristall im Boden des Schmelztiegels in Berührung gebracht, um ein Impfen durchzuführen. Der Schmelztiegel wird graduell von seinem unteren bis zu seinem oberen Teil gekühlt, um einen Einkristall eines Verbindungshalbleiters auszubilden.

Bei diesem Verfahren wird ein Element der Gruppe V im unteren Niedrigtemperaturabschnitt des Wachstumsgefäßes des Schmelz tiegels angeordnet, um eine Verteilung des Elements der Gruppe V durch Dissoziation während des Schmelzens zu ver hindern, und um das Rohmaterial zu impfen. Das Element der Gruppe V wird erwärmt, so daß sein Dampfdruck höher als sein Dissoziationsdruck ist. Hierdurch wird ebenfalls eine Fluk tuation in der Schmelzenzusammensetzung verhindert. Der für das Kristallwachstum erforderliche vertikale Temperaturgra dient wird durch eine Kombination einer Heizung und eines wärmeisolierenden Materials erhalten. Wenn die der Heizung zugeführte Energie allmählich beim Wachstum des Kristalls vermindert wird, wird der Schmelztiegel von seinem unteren Abschnitt aus gekühlt.

Um einen Einkristall hoher Qualität mit einer geringen Anzahl von Kristallfehlerstellen herzustellen, muß man nicht nur die vertikale Temperaturverteilung, sondern ebenfalls die hori zontale (radiale) Temperaturverteilung betrachten. D.h. ge nauer, betrachtet man eine bestimmte horizontale Ebene des Schmelztiegels, daß, wenn die Temperatur so ist, daß sich die Verbindungshalbleiterschmelze von der Umfangswand zur Mitte des Schmelztiegels hin verfestigt (wenn die Temperatur im mittleren Teil des Schmelztiegels höher als im restlichen Teil ist), die Neigung zur Bildung eines Polykristalls be steht. Es wird daher bevorzugt, daß die Temperaturverteilung in radialer Richtung des Schmelztiegels gleichförmig ist, oder daß sie im mittleren Teil niedriger und in Richtung des Umfangs höher ist.

Bei den üblichen Verfahren wird der Schmelztiegel jedoch nur von außen mit einer Heizung erwärmt. Zusammen mit dem Ein fluß der Schmelzkonvektion ist es schwierig, die Temperatur verteilung in radialer Richtung so zu steuern, daß sie im wesentlichen gleichförmig ist, oder daß die Temperatur im mittleren Teil niedriger ist.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfah ren zur Herstellung eines Einkristalls eines Verbindungshalb leiters zu schaffen, bei dem ein mittlerer Teil einer Ein kristallwachstumsfläche einer Schmelze als Rohmaterial in einem Schmelztiegel eine niedrigere Temperatur als der Um fangsabschnitt in radialer oder horizontaler Richtung auf weist, wobei sich das Material nach oben erstreckt, wodurch man einen Einkristall hoher Qualität erhält. Weiter soll mit der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah rens geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst, d.h. durch ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls eines Verbindungshalbleiters, bestehend aus zumindest zwei Elementen, umfassend folgende Schritte:
Lagern eines ersten Materials mit mindestens einem Element in einem Schmelztiegel, der in einem Wachstumsgefäß vorge sehen ist, und Anordnen eines Impfkristalls am unteren End abschnitt des Schmelztiegels;
Lagern eines ein Element enthaltenden Materials in einem unter dem Schmelztiegel angeordneten Gasgefäß;
Erwärmen des Materials im Schmelztiegel bis zur Schmelze des Materials;
Verdampfen des Materials im Gasgefäß durch Erwärmen dessel ben, wodurch das Material im Gasgefäß mit dem geschmolzenen Material in dem Schmelztiegel reagiert;
Aufbringen eines vertikalen magnetischen Feldes auf das ge schmolzene Material im Schmelztiegel, so daß ein mittlerer Teil des geschmolzenen Materials im Schmelztiegel eine nied rigere Temperatur als der Umfang desselben in radialer Rich tung aufweist und sich das Material nach oben erstreckt; und allmähliches Absenken der Temperatur der auf das geschmolze ne Material aufgebrachten Wärme in Richtung nach oben vom Impfkristall aus, wodurch ein Einkristall eines Verbindungs halbleiters vom Impfkristall aus wächst.

Die Aufgabe wird weiter durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 4 gelöst, d.h. durch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls eines Verbindungshalbleiters, bestehend aus zu mindest zwei Elementen, umfassend
ein Wachstumsgefäß;
einen Schmelztiegel zur Aufnahme eines ersten mindestens ein Element enthaltenden Materials mit einem an seinem unteren Endabschnitt angeordneten Impfkristall;
ein unterhalb des Schmelztiegels angeordnetes Gasgefäß zur Aufnahme des ein Element enthaltenden Materials, wobei das Gasgefäß und der Schmelztiegel im Wachstumsgefäß miteinander verbindbar angeordnet sind;
eine Hauptheizung zum Erwärmen und Schmelzen des Materials im Schmelztiegel und zum Kühlen des geschmolzenen Materials von einem unteren Abschnitt desselben her zum Wachstum eines Einkristalls; und
eine Nebenheizung zum Erwärmen und Verdampfen des Materials im Gasgefäß und zur Reaktion des verdampften Materials mit dem geschmolzenen Material im Schmelztiegel, wobei die Haupt heizung eine Steuerung zur allmählichen Abnahme der Tempera tur der dem geschmolzenen Material zugeführten Wärme oberhalb eines Impfkristalls aufweist, wodurch das Wachstum eines Ein kristalls eines Verbindungshalbleiters vom Impfkristall aus erreicht wird,
wobei eine Einrichtung zur Aufbringung eines vertikalen mag netischen Feldes im geschmolzenen Material im Schmelztiegel, so daß eine Oberfläche des geschmolzenen Materials im Schmelz tiegel, das als Einkristall gewachsen ist, in seinem mittleren Abschnitt eine niedrigere Temperatur als an seinem Umfangsab schnitt in radialer Richtung aufweist, und sich das Material gleichzeitig nach oben hin erstreckt, vorgesehen ist.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher bechrie ben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zur Herstel lung eines Einkristalls gemäß einer ersten Ausfüh rungsform der Erfindung, wobei die Schmelze im Schmelztiegel gerade geschmolzen ist;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1, wobei ein Flüssigkeitsdichtungsstop fen entfernt ist und das Wachstum des Einkristalls beginnt;

Fig. 3 schematisch die Temperatur und Form der Wachstums fläche des Einkristalls;

Fig. 4 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zur Herstel lung eines Einkristalls gemäß einer zweiten Ausfüh rungsform der Erfindung;

Fig. 5 eine Schnittansicht eines Gehäuses, bei dem ein Schutzgehäuse für den Impfkristall vorgesehen ist;

Fig. 6 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zur Herstel lung eines Einkristalls gemäß einer dritten Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen einer Schmelze des Rohmaterials und der Temperatur verteilung; und

Fig. 8 ein Diagramm der Temperaturverteilung in der Nähe der Verfestigungszone in der Schmelze, wenn ein vertikales magnetisches Feld auf das geschmolzene Material mittels einer Spule aufgebracht wird.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform umfaßt eine Druckkammer 11, ein zylindrisches Wachstumsgefäß 13 und einen zylindrischen Schmelztiegel 15. Das Wachstumsgefäß 13 ist vertikal am mittleren Abschnitt der Kammer 11 angeordnet und hat ein offenes oberes Ende. Der Schmelztiegel 15 ist im Wachstumsgefäß 13 koaxial angeordnet, um mit ihm einen rohr förmigen Raum zu bilden. Der Schmelztiegel 15 besteht aus PBN (Phenyl-ß-Naphthylamin) oder Quarz. Der untere Endab schnitt des Schmelztiegels 15 bildet einen dünnen, rohrför migen Abschnitt 15 a über einen Trichterabschnitt. Das untere Ende des rohrförmigen Abschnitts 15 a ist offen.

Ein hermetisch schließender Deckel 17 ist in die obere End öffnung des Wachstumsgefäßes 13 eingepaßt. Der Deckel 17 ist relativ zum Wachstumsgefäß 13 vertikal gleitbar angeordnet, wobei er es im wesentlichen abdichtet. An einem mittleren Abschnitt des Wachstumsgefäßes 13 ist eine Lagerung 19 für den Schmelztiegel 15 eingebracht. Die Lagerung 19 ist zusam men mit dem Schmelztiegel 15 vertikal bewegbar. Stangenähn liche Träger 21 verbinden die Lagerung 19 mit dem Deckel 17. Mehrere Stangen sind in dem rohrförmigen Raum bzw. dem Ringspalt zwischen dem Wachstumsgefäß 13 und dem Schmelz tiegel 15 angeordnet, um den Schmelztiegel 15 zu umgeben, wobei sie in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind. Die Lagerung 19 besteht aus einem wärmeisolierenden Mate rial. Das wärmeisolierende Material muß porös sein oder Öffnungen aufweisen, die sich in vertikaler Richtung für eine Belüftung erstrecken. Der Deckel 17 wird durch eine obere Stange 23 gehalten, die sich durch die obere Platte der Druckkammer 11 erstreckt und vertikal bewegbar und drehbar ist.

Ein unteres Gefäß bzw. ein Gasgefäß 25 zur Lagerung eines Elements der Gruppe V ist am Boden des Wachstumsgefäßes 13 angeordnet. Am mittleren Abschnitt des Gasgefäßes 25 ist in vertikaler Richtung eine Druckstange 27 befestigt. Der Durch messer der Stange 27 ist so, daß das obere Ende der Stange 27 in den rohrförmigen Abschnitt 15 a des Schmelztiegels 15 eingesetzt werden kann. Eine Lagerung lagert das Wachstums gefäß 13 an seiner Unterseite. Die Lagerung 29 wird durch die untere Stange 31 gehalten, die sich durch die Bodenplatte der Druckkammer 11 erstreckt, vertikal bewegbar und drehbar ist. In der Lagerung 29 ist ein Thermoelement 33 zur Temperatur messung angeordnet. Die Leitungen des Thermoelements 33 werden durch die untere Stange 31 nach außen geführt.

In der Druckkammer 11 ist eine Hauptheizung 35 angeordnet, die den Schmelztiegel 15 bis zum Wachstumsgefäß 13 umgibt. Die Hauptheizung 35 hat Anschlüsse 37, mit denen Leitungen 39 zur Energieversorgung verbunden sind, die nach außen ge führt werden. In der Druckkammer 11 ist eine Nebenheizung 41 angeordnet, die das Gasgefäß 25 und das Wachstumsgefäß 13 umgibt. Die Nebenheizung 41 weist Anschlüsse 43 auf, die mit Energieversorgungsleitungen 45 verbunden sind, die wiederum nach außen geführt werden. An der Innenfläche der Kammer 11 ist ein wärmeisolierendes Material 47 vorgesehen, das aus mehreren Schichten aus Kohlenstoff oder ähnlichem besteht. In der Wand der Kammer 11 ist eine Kühlleitung 49 vorgesehen. Durch die Kühlleitung 49 fließt Kühlwasser.

Die Hauptheizung 35 und die Nebenheizung 41 bestehen z.B. aus Graphitheizstäben. Bevorzugt wird, daß die Hauptheizung 35 in vertikaler Richtung in mehrere Abschnitte unterteilt ist, und daß die entsprechenden abgeteilten Abschnitte unab hängig voneinander die Heiztemperatur steuern können.

Koaxial zur Druckkammer 11 ist an ihrer Außenseite eine zylindrische Spule 61 angeordnet. Während des Kristallwachs tums wird durch die Spule 61 ein vertikales magnetisches Feld auf den Schmelztiegel 15 aufgebracht. Damit das vertikale magnetische Feld wirkungsvoll aufgebracht werden kann, kann die Kammer 11 aus rostfreiem Stahl bestehen, und die ent sprechenden Abschnitte der Hauptheizung 35 können als doppel spiralige Nichtinduktionsspulen ausgebildet sein.

Mit der beschriebenen Vorrichtung wird ein Einkristall eines Verbindungshalbleiters in folgender Weise hergestellt. Ein Flüssigkeitsdichtungsstopfen 51 und ein Impfkristall 53 wer den in den rohrförmigen Abschnitt 15 a am unteren Abschnitt des Schmelztiegels 15 so eingebracht, daß der Stopfen 51 auf dem Impfkristall 53 angeordnet ist. Ein Element der Gruppe III (Ga, wenn ein GaAs Einkristall des Verbindungshalblei ters gewünscht wird) 55 wird in den Schmelztiegel 15 einge bracht. Der Stopfen 51 besteht aus einem Material, das ein geringeres spezifisches Gewicht als die Schmelze im Schmelz tiegel 15 aufweist. Das Element der Gruppe V (As, wenn ein GaAs Einkristall des Verbindungshalbleiters gewünscht wird) 57 wird in das untere Gasgefäß 25 eingebracht.

Die obere Stange 23 wird nach oben bewegt, um den Deckel 17 aus dem Wachstumsgefäß 13 herauszuziehen, und das Innere der Druckkammer 11 wird evakuiert, wodurch der in dem Schmelz tiegel 15 und der Kammer 11 befindliche Sauerstoff entfernt wird. Darauf wird ein Inertgas (Argon oder Stickstoff) mit einem Druck von 3 bis 100 kg/cm² in die Kammer 11 einge bracht. Dann wird die Stange 23 um eine bestimmte Strecke nach unten bewegt, so daß der Deckel 17 in das Wachstumsge fäß 13 hineinragt und das obere Ende der Druckstange 27 gegen das untere Ende des Impfkristalls 53 anliegt, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.

Die Hauptheizung 35 wird erwärmt, um das Element 55 der Gruppe III zu schmelzen. Im Fall der GaAs Synthese wird das Element 55 bei einer Temperatur von etwa 1238°C gehalten. Die Nebenheizung 41 wird ebenfalls erwärmt, um das Element 57 der Gruppe V auf etwa 617°C zu erwärmen und den Dampfdruck des Elements 57 im Wachstumsgefäß 13 auf eine Atmosphäre oder mehr einzustellen. Hierdurch steigt der Dampf des Ele ments 57 der Gruppe V durch die Lagerung 19 des Schmelztie gels 15. In diesem Zustand kann die Synthese des Verbindungs halbleiters fortschreiten.

Wenn die Synthese des Verbindungshalbleiters beendet ist, wird im Schmelztiegel 15 eine GaAs Schmelze gebildet, wobei die obere Stange 23 allmählich nach unten bewegt wird. Dann wird der Schmelztiegel 15 durch die Träger 21 und die Lage rung 19 des Schmelztiegels 15 nach unten bewegt, wobei die Druckstange 27 den Impfkristall 53 und den flüssigkeits dichten Stopfen 51 relativ nach oben drückt. Der Stopfen 51 wird somit aus dem rohrförmigen Abschnitt 15 a entfernt und in die Verbindungshalbleiterschmelze freigegeben. Vorher wird die Spule 61 mit Energie versorgt, um ein vertikales magnetisches Feld von 3000 Gauss auf die Schmelze aufzu bringen. Da das spezifische Gewicht des Stopfens 51 kleiner als das der Verbindungshalbleiterschmelze 59 ist, schwimmt er auf der Oberfläche der Schmelze 59, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Hierdurch werden die Schmelze 59 und der Impfkristall 53 in direkte Berührung miteinander gebracht.

Die Temperaturverteilung dabei ist wie folgt. Der Berüh rungsabschnitt zwischen dem Kristall 53 und der Schmelze 59 wird beim Schmelzpunkt des Verbindungshalbleiters gehalten. Die Temperatur nimmt allmählich in Richtung des oberen Ab schnitts zu.

Zum Impfen wird darauf die Temperatur des Berührungsab schnitts um etwa 0 bis 10°C angehoben, um den Impfkristall 53 teilweise zu schmelzen und mit der Schmelze 59 zu ver mischen. Die Hauptheizung 35 wird dann so gesteuert, daß die Temperatur allmählich in Richtung des oberen Teils der Schmelze abnimmt, und zwar in der Weise, wie dies bei der üblichen vertikalen Verfestigung der Fall ist, um einen Einkristall herzustellen. Während des Kristallwachstums wird das Wachstumsgefäß 13 vorzugsweise zusammen mit dem Schmelztiegel 15 so gedreht, daß die Symmetrie der Tempera turverteilung verbessert wird. Die Abkühlgeschwindigkeit wird innerhalb eines Bereichs von 3 bis 20°C/h gesteuert. Der Temperaturgradient in Wachstumsrichtung verläuft wie folgt. Er beträgt 20 bis 150°C/cm an dem Berührungsabschnitt zwischen dem Impfkristall 53 und der Schmelze 59. Er beträgt 20 bis 100°C/cm am Schulterabschnitt und beträgt weiter 2 bis 40°C/cm am Körperabschnitt.

Wenn das vertikale magnetische Feld während des Wachstums auf die Schmelze aufgebracht wird, wird die Strömung der Schmelze in einer das magnetische Feld schneidenden Richtung, d.h. in radialer Richtung, durch die Lorentz-Kraft unter drückt, und die Schmelze fließt nur in vertikaler Richtung. Hierdurch wird die Wärmeübertragung auf die Wärmeleitung in radialer Richtung begrenzt, während die Wärmeübertragung in folge von Konvektion in vertikaler Richtung stattfindet. Die Wärmeübertragung in Richtung des unteren Abschnitts niedri ger Temperatur findet leicht statt, und die Wärme wird vom unteren Ende abgegeben. Nimmt man einen Schnitt längs der Linie A-B in Fig. 3, so ist die sich ergebende Temperatur verteilung in radialer Richtung wie folgt. Die Temperatur ist an der Außenfläche des Wachstumsgefäßes 13 in der Nähe der Heizung 35 hoch und nimmt in Richtung des mittleren Teils ab. Hierdurch erstreckt sich die Fest-Flüssigkeitsgrenz schicht 60 in bezug auf die Schmelze 59 ein wenig nach oben. Wenn die Schmelze vom Umfangsabschnitt her kristallisiert, wächst ein Einkristall eines Verbindungshalbleiters 62, der nur wenige Kristallfehler aufweist, wobei Wärmespannungen unterdrückt werden. Da die Wärmeschwingung unterdrückt wird, kann ebenfalls die Erzeugung von Wachstumsstreifen unter drückt werden.

Mit der oben beschriebenen Vorrichtung können die Vorgänge, beginnend von der Synthese der Verbindungshalbleiterschmelze bis zum Wachstum des Einkristalls in einem einzigen Schmelz tiegel durchgeführt werden.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 4 bezeichnen die Bezugszeichen gleiche Teile wie in Fig. 1. Bei dieser Ausführungsform wird ein Element 55 der Guppe III und ein Element 57 der Gruppe V in den Schmelztiegel 15 eingebracht. Ein polykristallines Mate rial eines Verbindungshalbleiters wird im Schmelztiegel 15 durch eine direkte Synthese erzeugt, und darauf wird eine Verbindungshalbleiterschmelze ausgebildet. Wie man in Fig. 4 sieht, wird ein Element 55 der Gruppe III und ein Element 57 der Gruppe V in den Schmelztiegel 15 eingebracht, und das Innere des Schmelztiegels 15 wird in der gleichen Weise wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform evakuiert, um verbleibenden Sauerstoff zu entfernen. Darauf wird das Innere des Schmelztiegels 15 mit Inertgas gefüllt und auf einen Druck von etwa 100 Atmosphären eingestellt.

Zuerst werden die obere Stange 23 und die untere Stange 31 gleichzeitig nach unten bewegt, um das Wachstumsgefäß 13 nach unten zu bewegen, während der Deckel 17 auf dem Wachstums gefäß 13 verbleibt, so daß der Schmelztiegel 15 unter der Hauptheizung 35 angeordnet ist. Die Hauptheizung 35 wird in diesem Zustand mit Energie versorgt. Wenn man einen GaAs Einkristall eines Verbindungshalbleiters erhalten will, wird der Raum im Inneren der Hauptheizung 35 auf einer vor bestimmten Temperatur gehalten, die sich in einem Bereich von 817 bis 1238°C bewegt. Das Wachstumsgefäß 13 wird nach oben bewegt, um den Schmelztiegel 15 schnell in die Haupt heizung 35 einzusetzen. Hierdurch reagieren das Element 55 der Gruppe III und das Element 57 der Gruppe V im Schmelz tiegel 15 miteinander, und die Synthese schreitet fort. In diesem Fall wird, um eine Verdampfung eines nichtreagieren den Elements der Gruppe V zu verhindern, ein Element 57 der Gruppe V im unteren Gasgefäß 25 durch die Nebenheizung 41 erwärmt (auf 617°C oder mehr, wenn man GaAs Einkristall eines Verbindungshalbleiters herstellen möchte), um den Dampfdruck des Elements 57 der Gruppe V zu erhalten. Die direkte Synthese wird schnell durchgeführt. Hierdurch wird im Schmelztiegel 15 ein Verbindungshalbleiterpolykristall erzeugt. Um dieses polykristalline Material zu schmelzen, wird die Temperatur bis zum Schmelzpunkt + etwa 10°C erhöht, wodurch man eine Verbindungshalbleiterschmelze erhält. Darauf wird die Spule 61 mit Energie versorgt, um ein vertikales magnetisches Feld von 3000 Gauss auf die Schmelze aufzu bringen. Hierbei wird der Schmelztiegel 15 relativ zum Wachs tumsgefäß 13 nach unten bewegt, um den flüssigkeitsdichten Stopfen 51 in die Schmelze zu stoßen, wodurch das Impfen durchgeführt wird. Die darauffolgenden Schritte sind die gleichen wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform, so daß eine weitere Beschreibung diesbezüglich entfallen kann.

Bei dieser Ausführungsform kann ein Kristall 53 in einem Schutzgehäuse 69 gelagert werden und in den rohrförmigen Ab schnitt 15 a eingesetzt werden, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, so daß er nicht durch die Druckstange 27 beschädigt wird, wenn sie mit der Stange 27 nach oben gedrückt wird.

Bei dieser Ausführungsform muß die Temperatur der Schmelze in Richtung nach oben von ihrem Impfkristallteil allmählich abnehmen. Hierzu ist eine Einrichtung zum teilweisen Steuern der Temperatur der Hauptheizung 35 geeignet, z.B. eine unter teilte Heizung, wie bei der oben beschriebenen Ausführungs form, eine Einrichtung zum vertikalen Bewegen des Schmelz tiegels relativ zur Hauptheizung, und eine Einrichtung zum vertikalen Bewegen der Hauptheizung relativ zum Schmelztiegel.

Beispiele dieser Einrichtungen werden unter Bezugnahme auf die Fig. 6 und 7 beschrieben. Bei dieser Ausführungsform haben gleiche Teile wie bei den vorherigen Ausführungsformen gleiche Bezugsziffern und werden nicht erneut beschrieben.

Bei der Vorrichtung dieser Ausführungsform ist kein Träger 21 zwischen der Lagerung 19 des Schmelztiegels 15 und dem hermetisch abschließenden Deckel 17 vorgesehen. Die Lagerung 19 ist somit am Wachstumsgefäß 13 befestigt.

Die Hauptheizung 35 ist nicht unterteilt und ist z.B. ein rohrförmiger Graphitheizstab. Die Heizung 35 ist am unteren Ende der Tragstange 70 für die Heizung befestigt, die sich durch die obere Platte der Druckkammer 11 erstreckt. Wenn die Tragstange 70 durch einen Antriebsmechanismus (nicht dargestellt) relativ zur Kammer 11 vertikal bewegt wird, kann die Heizung 35 zusammen mit der Tragstange 70 vertikal be wegt werden. Der Anschluß 37 steht mit dem Stromleiter 39 in Gleitkontakt, um bei einer vertikalen Bewegung der Haupt heizung 35 eine zuverlässige Stromversorgung zu gewährleisten.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls eines Ver bindungshalbleiters unter Verwendung dieser Vorrichtung wird im folgenden beschrieben. Zuerst wird ein Impfkristall 53 in den rohrförmigen Abschnitt 15 a am unteren Teil des Schmelz tiegels 15 eingesetzt und an einer vorbestimmten Position angeordnet. Ein verbindungshalbleiterpolykristallines Material wird in den Schmelztiegel 15 eingegeben. Ein Element der Gruppe V (As, wenn ein GaAs Einkristall eines Verbindungs halbleiters hergestellt werden soll) wird in das untere Gas gefäß 25 eingebracht. Um verbleibenden Sauerstoff im Schmelz tiegel 15 und der Druckkammer 11 zu entfernen, wird die obere Stange 23 nach oben bewegt, um den Deckel 17 vom Wachstumsge fäß 13 zu entfernen, und das Innere der Kammer 11 wird eva kuiert. Darauf wird ein Inertgas in die Kammer 11 eingebracht und von einigen bis 100 Atmosphären unter Druck gesetzt. Darauf wird die Stange 23 nach unten bewegt, um den Deckel 17 im Wachstumsgefäß 13 anzuordnen.

Die Hauptheizung 35 wird mit Energie versorgt, um das poly kristalline Material zu schmelzen, wodurch man eine Verbin dungshalbleiterschmelze erhält. In diesem Fall wird, um zu verhindern, daß das Element der Gruppe V dissoziiert und sich von der Oberfläche des polykristallinen Materials und der Oberfläche der Schmelze verteilt, das Element 57 der Gruppe V im unteren Gasgefäß 25 durch die Nebenheizung 41 erwärmt, wodurch der Dampfdruck des Elements 57 der Gruppe V im Wachs tumsgefäß 13 eingestellt wird.

Nach dem Erhalt der Schmelze wird die Temperatur am Berüh rungsabschnitt zwischen dem Impfkristall 53 und der Schmelze erhöht, so daß sie etwas höher als der Schmelzpunkt des zu erzielenden Einkristalls des Verbindungshalbleiters ist, um den Impfkristall 53 teilweise zu schmelzen und mit der Schmel ze zu vermischen, wodurch das Impfen durchgeführt wird. Die Temperaturverteilung vor dem Beginn des Einkristallwachstums ist in Fig. 7 dargestellt. Die Temperatur am Berührungsab schnitt zwischen dem Impfkristall 53 und der Schmelze 59 muß beim Schmelzpunkt (1238°C, wenn ein GaAs Einkristall eines Verbindungshalbleiters hergestellt werden soll) eingestellt werden. Die Heiztemperatur des Elements 57 der Gruppe V be trägt 617°C oder mehr, und der Dampfdruck desselben wird bei einer Atmosphäre oder mehr im Falle von GaAs gehalten.

Dann wird die Spule 61 erregt, und gleichzeitig wird die Heizlagerstange 70 allmählich nach oben bewegt, um das Wachs tum des Einkristalls vom geimpften Abschnitt bis zum oberen Abschnitt zu bewirken. In diesem Fall wird das Wachstumsge fäß vorzugsweise gedreht, um eine Temperaturverteilung guter Symmetrie zu erreichen. Die Heizgeschwindigkeit muß in einen Bereich von 0,3 bis 9 mm/h fallen. Die Heizgeschwindigkeit wird niedrig eingestellt, wenn die Fest-Flüssigkeitstrenn schicht in einem Bereich vom geimpften Abschnitt bis zur Schulter liegt, und wird konstant eingestellt, wenn die Fest- Flüssigkeitstrennschicht sich am geraden Körperabschnitt be findet. Die Temperaturverteilung der Hauptheizung 35 wird eingestellt und so gehalten, daß sich ein Temperaturgradient von 20 bis 150°C/cm in Richtung der Wachstumsachse am geimpf ten Abschnitt und von 0 bis 20°C am geraden Körperabschnitt ergibt. Da die Nebenheizung 41 nicht bewegt wird, wird das Element 57 der Gruppe V auf eine vorbestimmte Temperatur er wärmt, während die Hauptheizung 35 nach oben bewegt wird und das Kristallwachstum durchgeführt wird. Der Dampfdruck des Elements der Gruppe V im Wachstumsgefäß 13 wird somit kon stant gehalten.

Bei dieser Ausführungsform wird im Schmelztiegel 15 ein ver tikales magnetisches Feld von 3000 Gauss durch die Spule 61 ausgebildet. Dieses magnetische Feld beträgt vorzugsweise 500 bis 5000 Gauss und noch bevorzugter 1000 bis 3000 Gauss. Wenn das magnetische Feld schwächer als dieser Bereich ist, kann keine ausreichende Wirkung erwartet werden; wenn es stärker ist, wird die Erregungseinrichtung, wie z.B. die Spule, unerwünscht groß.

Fig. 8 zeigt die Gleichtemperaturverteilung des geschmolzenen Materials, wenn ein magnetisches Feld nicht auf das geschmol zene Material im Schmelztiegel aufgebracht wird, der einen Durchmesser von 76,2 mm aufweist, aus PBN besteht, und wenn vertikale magnetische Felder von 1000, 2000 bzw. 3000 Gauss auf das geschmolzene Material im Schmelztiegel während des Kristallwachstums aufgebracht werden. Der Meßpunkt ist in Fig. 8 längs der Abszissenachse aufgetragen, und die Inten sität des magnetischen Feldes und der vertikale Abstand in der Schmelze vom geschmolzenen Material sind längs der Ordi natenachse aufgetragen. Auf der Abszisse bezeichnet das Sym bol A einen mittleren Teil des Schmelztiegels in radialer Richtung; die Symbole B und C bezeichnen Abschnitte, die vom mittleren Abschnitt 25,4 mm bzw. 38,1 mm entfernt sind.

Bezüglich des Abstandes in der Schmelze bezeichnet 0 die an genommene verfestigte Trennschicht; +5 einen Teil oberhalb der Trennschicht in einer Entfernung von 5 mm; und -5 einen Bereich unterhalb der Trennschicht in einer Entfernung von 5 mm.

Aus Fig. 8 sieht man, daß wenn kein vertikales magnetisches Feld aufgebracht wird, der mittlere Abschnitt der Schmelze im Schmelztiegel eine höhere Temperatur als ihr Umfang auf weist. Wenn jedoch ein magnetisches Feld von 1000 Gauss oder mehr aufgebracht wird, wird die Temperatur des mittle ren Abschnitts der Schmelze im Schmelztiegel mit Sicherheit niedriger als die Temperatur des Umfangs.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls eines Verbindungshalbleiters, bestehend aus zumindest zwei Ele menten, umfassend folgende Schritte:

- Lagern eines ersten Materials mit mindestens einem Ele ment in einem Schmelztiegel (15), der in einem Wachstums gefäß (13) vorgesehen ist, und Anordnen eines Impfkristalls (53) am unteren Endabschnitt des Schmelztiegels (15);
- Lagern eines ein Element enthaltenden Materials in einem unter dem Schmelztiegel (15) angeordneten Gasgefäß (25);
- Erwärmen des Materials im Schmelztiegel (15) bis zur Schmelze des Materials und
- Verdampfen des Materials im Gasgefäß (25) durch Erwärmen desselben, wodurch das Material im Gasgefäß (25) mit dem geschmolzenen Material in dem Schmelztiegel (15) reagiert, gekennzeichnet durch
- Aufbringen eines vertikalen magnetischen Feldes auf das geschmolzene Material im Schmelztiegel (15), so daß ein mittlerer Teil des geschmolzenen Materials im Schmelztiegel (15) eine niedrigere Temperatur als der Umfang desselben in radialer Richtung aufweist und sich das Material nach oben erstreckt; und
- allmähliches Absenken der Temperatur der auf das geschmol zene Material aufgebrachten Wärme in Richtung nach oben vom Impfkristall aus, wodurch ein Einkristall eines Ver bindungshalbleiters vom Impfkristall aus wächst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Lagerns des Impfkristalls in dem Schmelztie gel (15) weiter den Schritt des Einsetzens des Impfkristalls und eines flüssigkeitsdichten Stopfens (51), der ein geringe res spezifisches Gewicht als das geschmolzene Material auf weist, in einen rohrförmigen Abschnitt kleinen Durchmessers, der sich von einem unteren Ende des Schmelztiegels so er streckt, daß der Impfkristall oberhalb des geschmolzenen Materials angeordnet ist, und den Schritt des Drückens des Impfkristalls von unten, nachdem das Material im Schmelztie gel (15) geschmolzen ist, umfaßt, um den flüssigkeitsdichten Stopfen (51) aus dem rohrförmigen Abschnitt (15 a) herauszu bewegen, wodurch das geschmolzene Material und der Impfkri stall miteinander reagieren.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Element des im Schmelztiegel (15) gelagerten Materials von dem Element des im Gasgefäß (25) gelagerten Materials unterschiedlich ist.

4. Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls eines Verbindungshalbleiters, bestehend zumindest aus zwei Ele menten, umfassend:.

- ein Wachstumsgefäß (13);
- einen Schmelztiegel (15) zur Aufnahme eines ersten minde stens ein Element enthaltenden Materials mit einem an seinem unteren Endabschnitt angeordneten Impfkristall (53);
- ein unterhalb des Schmelztiegels (15) angeordnetes Gasgefäß (25) zur Aufnahme des ein Element enthaltenden Materials, wobei das Gasgefäß (25) und der Schmelztiegel (15) im Wachstumsgefäß (13) miteinander verbindbar angeordnet sind;
- eine Hauptheizung (35) zum Erwärmen und Schmelzen des Materials im Schmelztiegel (15) und zum Kühlen des ge schmolzenen Materials von einem unteren Abschnitt des selben her zum Wachstum eines Einkristalls; und
- eine Nebenheizung (41) zum Erwärmen und Verdampfen des Materials im Gasgefäß (25) und zur Reaktion des verdampf ten Materials mit dem geschmolzenen Material im Schmelz tiegel (15), wobei die Hauptheizung (35) eine Steuerung zur allmählichen Abnahme der Temperatur der dem geschmol zenen Material zugeführten Wärme oberhalb eines Impfkri stalls (53) aufweist, wodurch das Wachstum eines Einkri stalls eines Verbindungshalbleiters vom Impfkristall (53) aus erreicht wird, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (61) zur Aufbringung eines vertikalen magnetischen Feldes im geschmolzenen Mate rial im Schmelztiegel (15), so daß eine Oberfläche des ge schmolzenen Materials im Schmelztiegel (15), das als Ein kristall gewachsen ist, in seinem mittleren Abschnitt eine niedrigere Temperatur als an seinem Umfangsabschnitt in radialer Richtung aufweist, und sich das Material gleich zeitig nach oben hin erstreckt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel (15) ein oberes offenes Ende im Wachs tumsgefäß (13) und ein unteres Ende mit einem rohrförmigen Abschnitt (15 a) kleinen Durchmessers aufweist, und daß der Impfkristall (53) in den rohrförmigen Abschnitt (15 a) ein gesetzt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich net, daß eine Druckkammer (11) vorgesehen ist, die das Wachs tumsgefäß (13) aufnimmt und die im Innern unter einem hohen Druck gehalten wird, wobei die Einrichtung (61) zur Auf bringung des magnetischen Feldes um die Druckkammer (11) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Einrichtung (61) zur Aufbringung des magnetischen Feldes eine Spule zur Aufbringung eines verti kalen magnetischen Feldes von 500 bis 5000 Gauss im ge schmolzenen Material im Schmelztiegel (15) aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule ein vertikales magnetisches Feld von 1000 bis 300 Gauss auf das geschmolzene Material in dem Schmelz tiegel (15) aufbringt.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammer (11) aus rost freiem Stahl besteht und die Hauptheizung (35) eine doppel spiralige Nichtinduktionsheizung umfaßt, die das Wachstums gefäß (13) umgibt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein flüssigkeitsdichter Stopfen (51) in den rohrförmigen Abschnitt (15 a) des Schmelztiegels (15) eingepaßt ist, der ein geringeres spezifisches Gewicht als das geschmolzene Material in dem Schmelztiegel (15) aufweist, um das Material in dem Schmelztiegel (15) und den Impfkristall im rohrförmi gen Abschnitt (15 a) zu trennen, und daß eine Druckeinrich tung (27) vorgesehen ist, um den Impfkristall von unten zu drücken, um den flüssigkeitsdichten Stopfen (51) aus dem rohrförmigen Abschnitt (15 a) herauszubewegen, wenn das Material im Schmelztiegel (15) geschmolzen ist, um das geschmolzene Material und den Impfkristall (53) miteinander in Berührung zu bringen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schmelztiegel (15) ein Material der Gruppe III Elemente eines zweikomponenten Einkristalls eines Verbindungshalbleiters lagert und das Gasgefäß (25) ein Material der Gruppe V Elemente lagert.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schmelztiegel (15) ein Material einer Mischung lagert, und daß das Gasgefäß (25) ein Material eines Elements der Mischung lagert.

13. Vorrichtung nach Anspruch 5, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel (15) relativ zum Druckgefäß (11) vertikal bewegbar ist, daß das Gasgefäß (25) ein oberes offenes Ende aufweist und am Wachstumsgefäß (13) befestigt ist, und daß die Druckeinrichtung eine Druck stange (27) umfaßt, die mit einem unteren Ende am Gasgefäß (25) befestigt und deren oberes Ende in den rohrförmigen Abschnitt (15 a) einsetzbar ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schutzgehäuse (69) einen unteren Abschnitt des Impf kristalls abschirmt und in direkter Berührung mit der Druck stange (27) steht.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptheizung (35) mehrere Heizelemente aufweist, die unabhängig voneinander temperatur gesteuert und in vertikaler Richtung ausgerichtet sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bewegungseinrichtung (70) zum vertikalen Bewegen des Schmelztiegels (15) und der Haupt heizung (35) relativ zueinander vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinrichtung (70) ein Teil zum Bewegen der Hauptheizung (35) in vertikaler Richtung umfaßt.