DE68917052T2

DE68917052T2 - Verfahren zur Einkristallzüchtung von zersetzbaren Halbleiter-Verbindungen.

Info

Publication number: DE68917052T2
Application number: DE68917052T
Authority: DE
Inventors: Koichi C O Kagoubutsu-Ha Sassa; Keiji C O Kagoubutsu-H Shirata; Kenji C O Kagoubutsu- Tomizawa
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1988-08-19
Filing date: 1989-08-18
Publication date: 1994-12-22
Anticipated expiration: 2009-08-19
Also published as: EP0355746A2; US5091043A; EP0355746B1; EP0355746A3; DE68917052D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Züchten eines Einkristalls eines dissoziativen Verbindungshalbleiters sowie das Steuern des Druckes eines flüchtigen Komponentengases. Zu den dissoziativen Verbindungshalbleitern gehören beispielsweise Verbindungen der Gruppen III-V, wie GaAs, InP oder GaP, die Verbindungen einer flüchtigen Komponente (V. Gruppe, wie As oder P) und einer nicht flüchtigen zweiten Komponente (III. Gruppe, wie Ga oder In) sind. GaAs wird hier nachfolgend als Beispiel gewählt, aber die vorliegende Erfindung ist auch zur Anwendung bei anderen dissoziativen Verbindungen geeignet.
Die veröffentlichte Japanische Patentanmeldung (kokai) Nr. 60-255692 offenbart ein Beispiel einer Vorrichtung, die beim Czochralski-Verfahren zum einkristallinen Züchten eines dissoziativen Verbindungshalbleiters angewandt wird.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 hat die Vorrichtung zum einkristallinen Züchten nach der veröffentlichen Japanischen Patentanmeldung einen inneren luftdichten Behälter bestehend aus einem oberen Behälterteil 1 mit einem Beobachtungsrohr 9 und einem Ofen 10 zum Steuern des Arsen-Gasdruckes sowie einem unteren Behälterteil 2. Ein Umfangsverbindungsteil 3, durch welches das obere Behälterteil 1 und das untere Behälterteil 2 verbunden sind, enthält ein Dichtungsmaterial 7, wie B&sub2;O&sub3;, das bei hoher Temperatur zu einer Flüssigdichtung geschmolzen werden kann. Rund um den luftdichten Behälter sind Heizer 11 angeordnet.
Der innere Behälter wird von einer nach oben stoßenden Welle 13 und einer Schraubenfeder 8 getragen, die in der nach oben stoßenden Welle 13 zwischengesetzt ist. Eine untere Welle 14 ist durch die nach oben stoßende Welle 13 hindurch eingebaut und weist einen Tiegel 4 auf, der auf das Ende der unteren Welle 14 aufgesetzt ist. Eine obere Welle 5 durchdringt eine obere Wand des oberen Behälterteils 1.
Dichtungen 15 sind in einem Teil, in welchem die obere Welle 5 durch das obere Behälterteil 1 gleitet sowie in einem Teil, in welchem die untere Welle 14 durch das untere Behälterteil 14 gleitet, eingebaut, um den Behälter luftdicht zu machen, so daß die Atmosphäre innerhalb des inneren Behälters von der Außenatmosphäre getrennt ist. Die Dichtung 15 besteht aus eine Material, wie B&sub2;O&sub3;, das bei hoher Temperatur geschmolzen werden kann.
Bei einer solchen Konstruktion wird das Gallium in den Tiegel 4 eingebracht. Die ganze Vorrichtung wird dann evakuiert und der innere Behälter abgedichtet, indem das untere Behälterteil 2 nach oben gedrückt wird. Dann werden die Heizer 11 eingeschaltet, um das Arsen zu verdampfen. Dann wird die Temperatur des Ofens 10, wo die niedrigste Temperatur im inneren Behälter herrscht, so ein gestellt, daß der Behälter mit Arsendampf eines vorbestimmten Druckes gefüllt ist. Das Arsengas reagiert mit dem Gallium im Tiegel 4, so daß dort GaAs erzeugt wird.
Ein am Ende der oberen Welle 5 befestigter GaAs-Keim wird in die GaAs-Schmelze getaucht. Die obere Welle wird nach oben gezogen, während die Welle 14 um ihre Achse rotiert. folglich kann ein Einkristall 6 aus GaAs erhalten werden.
Während die obere Welle 5 nach oben gezogen wird, stellt ein Kraftmeßwandler (nicht dargestellt), der an der oberen Welle 5 angebracht ist, die Gewichtsänderung des Einkristalls 6 fest. Die Gewichtsänderung wird zu einem Rechner (nicht dargestellt) übertragen, der die Leistung des Heizers 11 steuert, um so den Durchmesser des gezüchteten Einkristalls zu steuern.
Während die obere Welle 5 nach oben gezogen wird, wird die Zusammensetzung der GaAs-Schmelze im Tiegel 4 durch die Steuerung der Temperatur des Ofens 10 gesteuert.
Die Steuerung der Zusammensetzung der GaAs-Schmelze als Ergebnis der Reaktion von Gallium und Arsen ist sehr wichtig. Jedoch gibt bei dem oben genannten Verfahren keine Einrichtung zur feststellung des Zusammensetzungsverhältnisses der GaAs-Schmelze. Daher sind viele komplizierte Messungen mit GaAs erforderlich, um dieses Zusammensetzungsverhältnis zu erfahren.
Zusätzlich ist es unmöglich gewesen, exakt festzustellen, ob die Synthesereaktion ihren Sättigungszustand erreicht hat. Daher mußte der Keimvorgang um eine gewisse unbestimmte Zeit aufgeschoben werden, während noch ein Synthesereaktion auftrat. Es wurde eine Verbesserung derart gewünscht, festzustellen, wann das Zusammensetzungsverhältnis richtig ist.
Ferner nimmt der Kraftmeßwandler, der seinen Meßstab ins Innere des inneren Behälters erstreckt eine Extra-Kraft aus der Druckdifferenz zwischen dem Innendruck des luftdichten Behälters und dem Druck der Außenatmosphäre auf. Eine solche Druckdifferenz tritt auf, wenn die beiden von der Wand des inneren Behälters getrennten Atmosphären nicht präzis ausgeglichen werden können und wenn an der Wand des inneren Behälters kleine periodische Temperaturänderungen auftreten. Das Ausgabesignal des Kraftmeßwandlers entspricht dann dem tatsächlichen Kristallgewicht plus der Extra-Kraft infolge der Druckdifferenz. Wenn die Druckdifferenz schwankt, wird das Ausgabesignal durch Rauschen verfälscht.
Es ist daher unmöglich, das Gewicht des wachsenden Kristalls exakt zu messen. Diese Eigenschaft hat es auch erschwert, das Zusammensetzungverhältnis und/oder den Durchmesser des dissoziativen Verbindungshalbleiterkristalls zu steuern.
Die Druckschrift EP 0 139 157 offenbart eine Vorrichtung zum Züchten von Einkristallen dissoziativer Verbindungshalbleitern. Jedoch enthält diese Vorrichtung keinerlei Gewichtssensoren oder Kraftmeßwandler, um das Gewicht einer Schmelze festzustellen.
Die Druckschrift JP-A-61 205 697 offenbart ein System zum Züchten von Einkristallen von III-V- Verbindungshalbleitern. Bei diesem System sind zwei Gewichtssensoren vorgesehen, deren einer an einer oberen Welle und der andere an einer unteren Welle angebracht sind.
Jedoch sind sowohl die obere Welle, die untere Welle als auch die beiden Gewichtssensoren im Inneren des luftdichten Behälters des Systems nach JP-A-61 205 697 untergebracht.
Daher können die Gewichtssensoren die Druckdifferenz zwischen dem Inneren und außerhalb des luftdichten Behälters nicht berücksichtigen.

Zusammenfassung der Erfindung

Um diese Problem zu lösen ist es daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum einkristallinen Züchten eines dissoziativen Verbindungshalbleiters mit einer genauen Steuerung der Zusammensetzung der Schmelze des chemischen Verbindungshalbleiters und dies ohne Verlust an Luftdichtheit der Vorrichtung zu schaffen.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zum einkristallinen Züchten eines dissoziativen Verbindungshalbleiters mit einer genauen Steuerung der Zusammensetzung der Schmelze des chemischen Verbindungshalbleiters und dies ohne Verlust an Luftdichtheit der Vorrichtung.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum einkristallinen Züchten eines dissoziativen Verbindungshalbleiters mit genauer Steuerung des Durchmessers des wachsenden Kristalls und dies ohne Verlust an Luftdichtheit der Vorrichtung.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zum einkristallinen Züchten eines dissoziativen Verbindungshalbleiters mit genauer Steuerung des Durchmessers des wachsenden Kristalls und dies ohne Verlust an Luftdichtheit der Vorrichtung.
Nach Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung umfaßt das Verfahren zum einkristallinen Züchten eines dissoziativen Verbindungshalbleiters, das auf dem Czochralski-Verfahren beruht, die folgenden Schritte:
(a) Bereitstellen eines ersten flüchtigen Komponentenmaterials und eines zweiten Komponentenmaterials des dissoziativen Verbindungshalbleiters, wobei das erste Material am Boden eines luftdichten Behälters angeordnet und das zweite Material in einem Tiegel im luftdichten Behälter enthalten ist sowie der Tiegel von einer unteren Welle getragen wird, die sich durch den luftdichten Behälter nach draußen erstreckt;
(b) Erhitzen des ersten Materials, um es zu verdampfen und mit dem zweiten Material im Tiegel zur Reaktion zu bringen und dadurch eine Schmelze des dissoziativen Verbindungshalbleiters im Tiegel zu synthetisieren und
(c) Ziehen eines Einkristalls aus der Schmelze mittels einer oberen Welle nach oben, wodurch der Einkristall gezüchtet wird und wobei sich die obere Welle aus dem luftdichten Behälter nach außen erstreckt;
wobei das Verfahren durch folgende Schritte nach dem Erhitzen gekennzeichnet ist:
(d) feststellen des Gewichts der Schmelze außerhalb des luftdichten Behälters, wobei dieses Gewicht der Schmelze durch die Differenz zwischen dem Innendruck des luftdichten Behälters und dem Druck außerhalb des luftdichten Behälters beeinflußt wird;
(e) Korrigieren des festgestellten Gewichts der Schmelze durch Beseitigen des Fehlers infolge der Druckdifferenz mittels Einbeziehung des festgestellten Gewichts eines Körpers mit bekanntem konstanten Gewicht, der sich aus dem luftdichten Behälter nach draußen erstreckt, wobei das festgestellte Gewicht des Körpers durch die Druckdifferenz beeinflußt wird, wodurch eine genaue Bestimmung des Gewichts der Schmelze erhalten wird und
(f) Steuern zumindest eines der beiden Parameter Zusammensetzung der Schmelze und Durchmesser des gezüchteten Kristalls auf der Grundlage genauer Gewichtsdaten der Schmelze durch Einstellen des Innendruckes des luftdichten Behälters beziehungsweise der Temperatur der Schmelze im Tiegel.
Nach Anspruch 9 der vorliegenden Erfindung umfaßt die Vorrichtung zum einkristallinen Züchten eines dissoziativen Verbindungshalbleiters:
(a) einen äußeren luftdichten Behälter (20) mit einer oberen und einer unteren Wand;
(b) einen inneren luftdichten Behälter (22), der im äußeren luftdichten Behälter (20) angeordnet ist sowie eine obere und eine untere Wand hat;
(c) einen Ofen (44), der im inneren Behälter (22) eingebaut ist, zum Steuern des Druckes eines Gases als eines ersten flüchtigen Komponentenmaterials des dissoziativen Verbindungshalbleiters;
(d) eine untere Welle (30) mit rundem Querschnitt, wobei die untere Welle (30) eine Achse in senkrechter Richtung hat, in senkrechter Richtung beweglich und um ihre Achse drehbar ist und die unteren Wände des äußeren (20) und inneren Behälter (22) in einer senkrechten Richtung lufdicht durchdringt;
(e) einen Tiegel (34) zur Aufnahme eines zweiten Komponentenmaterials des dissoziativen Verbindungshalbleiters, in welchem eines Schmelze (66) der dissoziativen Verbindung durch Reaktion mit dem Gas des ersten Materials synthetisiert wird und der Tiegel im inneren Behälter (22) angeordnet ist und von der unteren Welle (30) getragen wird;
(f) eine Heizeinrichtung (52, 53) zur Erzeugung einer gewünschten Temperaturverteilung im inneren Behälter (22);
(g) eine obere Welle (36) zum Ziehen eines Einkristalls des dissoziativen Verbindungshalbleiters aus der Schmelze (66) nach oben, wobei der Einkristall gezüchtet wird und die obere Welle (36) runden Querschnitt und eine Achse in senkrechter Richtung hat, in senkrechter Richtung beweglich sowie um ihre Achse drehbar ist und die oberen Wände des äußeren (20) und inneren Behälters (22) in einer senkrechten Richtung oberhalb des Tiegels (34) luftdicht durchdringt;
und ist gekennzeichnet durch
(h) einen ersten Kraftmeßwandler (58), angeordnet am äußeren Behälter (20) außerhalb des inneren luftdichten Behälters (22), wobei der erste Kraftmeßwandler (58) an der unteren Welle (30) angebracht ist, um das Gewicht (W1) der Schmelze (66) festzustellen und dieses Gewicht durch die Differenz zwischen einem Innendruck des inneren Behälters (22) und einem Druck außerhalb des inneren Behälters (22) beeinflußt wird und
(i) einen zweiten Kraftmeßwandler (56, 72), angeordnet am äußeren Behälter (20) außerhalb des inneren luftdichten Behälters (22), wobei der zweite Kraftmeßwandler (56, 72) an einen Körper (36, 70) angebracht ist, um das Gewicht des Körpers festzustellen, wobei der Körper ein bekanntes konstantes Gewicht hat, sich im luftdichten Behälter (22) von innen nach außen erstreckt, sein festgestelltes Gewicht von der Druckdifferenz beeinflußt und sein festgestelltes Gewicht zur Korrektur des festgestellten Gewichts der Schmelze (66) hinsichtlich des fehlers infolge der Druckdifferenz benutzt wird.
Nach der vorliegenden Erfindung stellt der erste Kraftmeßwandler das Gewicht der Schmelze im Tiegel fest, wobei das festgestellte Gewicht von der Druckdifferenz beeinflußt wird. Der zweite Kraftmeßwandler korrigiert das festgestellte Gewicht um den Fehler infolge der Druckdifferenz. Damit wird das Gewicht der Schmelze im Tiegel auf einen richtigen Wert korrigiert. Die Zusammensetzung der Schmelze und/oder der Durchmesser des gezüchteten Einkristalls können leicht und automatisch über die Heizeinrichtung auf der Basis eines genauen Gewichtswertes gesteuert werden.
Da weiterhin das Gewicht der Schmelze während des eigentlichen Syntheseprozesses und während Wachstumsprozesses festgestellt werden kann, kann auch das Zusammensetzungsverhältnis der Schmelze in geeigneter Weise beobachtet und gesteuert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Seitenansicht, die eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik darstellt.
fig. 2 ist eine Seitenansicht, die eine Vorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
fig. 3 ist eine Seitenansicht, die eine Vorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugter Ausführungsformen

Verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollen nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.

Erste Ausführungsform

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung, die zum Züchten eines Einkristalls eines dissoziativen Verbindungshalbleiters nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Die Vorrichtung weist einen luftdicht verschlossenen äußeren Behälter 20 und einen im äußeren Behälter 20 enthaltenen inneren Behälter 22 auf.
Der innere Behälter 22 besteht aus einem oberen Behälterteil 40, in das ein Beobachtungsrohr 42 und ein Ofen 44 zur Steuerung des Arsengasdruckes eingebaut sind, sowie aus einem unterem Behälterteil 46. Der innere Behälter 22 wird auch luftdicht verschlossen, indem das untere Behälterteil 46, das in senkrechter Richtung beweglich ist, nach oben gedrückt wird und durch ein Verbindungsteil 48 verbunden, das später beschrieben wird.
In der unteren Wand des äußeren Behälters 20 ist ein Durchgangsloch angebracht. Eine nach oben stoßende Welle 24 mit einem Flanschteil 26 zur Bewegung des unteren Teil 46 des inneren Behälters 22 wird in senkrechter Richtung derart eingebaut, daß ein Stabteil derselben gleitfähig und luftdicht in das Du rchgangsloch des äußeren Behälters 20 eingesetzt wird. Das Flanschteil 26 ist unter dem unteren Teil 46 des inneren Behälters 22 angeordnet. Die nach oben stoßende Welle 24 hat einen in ihrem Stabteil zwischengesetzten Federstützmechanismus 28.
Eine untere Welle 30, die von einer Hülle 31 umgeben ist, wird ebenfalls durch die nach oben stoßende Welle 24 hindurchführend eingebaut. Die untere Welle 30 erstreckt sich ferner in das Innere des inneren Behälters 22 und trägt eine Aufnahme 32, die einen Tiegel 34 hält. Der Tiegel 34 ist unter dem Gesichtspunkt der Temperaturverteilung zur Anordnung in einer gewünschten Lage im inneren Behälter 22 geeignet.
Die obere Welle 36 ist von einer Hülle 38 umgeben und wird in senkrechter Richtung derart eingebaut, daß sie luftdicht einen Deckel (nicht dargestellt) des äußeren Behälters 20 durchdringt. Ein Ende der oberen Welle 36 erstreckt sich in das Innere des inneren Behälters 22.
Ein Umfangsverbindungsteil 48 mit dem das obere Behälterteil 40 und das untere Behälterteil 46 verbunden sind, enthält ein Dichtungsmaterial 50, wie B&sub2;O&sub3;, das als Flüssigdichtung bei hoher Temperatur geschmolzen werden kann. Obere und untere Heizer 52 und 53 sind im äußeren Behälter 20 derart eingebaut, daß sie den inneren Behälter 22 umgeben.
Dichtungen 54, die den inneren Behälter 22 für die beweglichen Wellen 30 und 36 luftdicht machen, sind in Bereichen eingebaut, wo die obere Welle 36 durch das obere Behälterteil 40 und die untere Welle 30 durch das untere Behälterteil 46 gleiten. Die Dichtungen 54 bestehen ebenfalls aus solchem Material, wie B&sub2;O&sub3;, das bei hohen Temperaturen geschmolzen werden kann. Daher können die obere Welle 36 und die untere Welle 30 rotieren und sich in senkrechter Richtung frei bewegen und der innere Behälter wird dabei luftdicht gehalten.
Ein unterer Kraftmeßwandler (erster Kraftmeßwandler) 58 ist an der unteren Welle 30 angebracht und sein Gehäuse mit der Hülle 31 verbunden. In ähnlicher Weise ist der obere Kraftmeßwandler (zweiter Kraftmeßwandler) 56 an der oberen Welle 36 angebracht und sein Gehäuse mit der Hülle 38 verbunden. Der obere und der untere Kraftmeßwandler 56 bzw. 58 sind jeweils über A/D-Wandler 62 und 64 an einen Rechner 60 angeschlossen.
Daher werden die Ausgabesignale des oberen und unteren Kraftmeßwandlers 56 bzw. 58 zu den A/D- Wandlern 62 und 64 geleitet und durch diese in digitale Signale umgewandelt. Die digitalen Signale werden vom Rechner 60 empfangen, der das Gewicht der GaAs-Schmelze 66 im Tiegel 34 auf der Basis von Digitalsignalen berechnet, was später beschrieben werden wird. Der Rechner 60 steuert die Leistung des Ofens 44, um so die Zusammensetzung der Schmelze zu steuern.
Bei dem oben beschriebenen Aufbau haben die obere Welle 36 und die untere Welle 30 runde Querschnitte und sie können unterschiedliche oder gleiche Durchmesser haben.
Bei diesem Aufbau wird Gallium in den Tiegel 34 und festes Arsen am Boden des unteren Behälterteils 46 eingebracht. Die ganze Vorrichtung wird dann evakuiert. Die Dichtung 48 wird dicht gemacht, indem das untere Behälterteil 46 nach oben gedrückt wird, so daß der innere Behälter von der Außenatmosphäre isoliert ist.
Dann werden der untere Heizer 53 und der obere Heizer 52 eingeschaltet, um die Temperatur zu erhöhen und durch Verdampfen das Arsengas zu erzeugen. Gleichzeitig wird die Temperatur des Ofens 44 eingestellt, so daß sich der innere Behälter 22 mit Arsengas von vorgegebenem Druck füllt, während der äußere Behälter 20 mit einem Inertgas vorgegebenen Druckes gefüllt wird, um den Druck innerhalb des inneren Behälters 22 auszugleichen. Das Arsengas reagiert mit dem Gallium im Tiegel 34, wodurch dort eine GaAs-Schmelze 66 synthetisiert wird.
Während des Syntheseprozesses berechnet der Rechner 60 das genaue Gewicht der GaAs-Schmelze 66 auf der Basis der Ausgabesignale des oberen und des unteren Kraftmeßwamdlers 56 und 58.
Die Temperatur des den As-Druck steuernden Ofens wird so eingestellt, daß die Schmelze 66 ein geeignetes Gewicht, das heißt eine stöchiometrische Zusammensetzung hat.
Ein am unteren Ende der oberen Welle 36 befestigter GaAs-Keim wird in die Schmelze 66 getaucht. Die obere Welle 36 wird unter Drehung um ihre Achse nach oben gezogen. Folglich kann ein Einkristall 68 aus GaAs mit stöchiometrischer Zusammensetzung gezüchtet werden.
Mit diesem Verfahren kann der Nachteil des herkömmlichen Verfahrens, das heißt die Unmöglichkeit, die Zusammensetzung der GaAs-Schmelze festzustellen, behoben werden, so daß die Zusammensetzung des gezüchteten Einkristalls eines chemischen Verbindungshalbleiters genau gesteuert wird. Ferner kann das Gewicht der Schmelze 66 ohne die Ungenauigkeit festgestellt werden, die durch die Differenz zwischen dem Druck im inneren Behälter und dem Druck der Außenatmosphäre verursacht werden kann.
Das Prinzip des Verfahrens wird nachfolgend beschrieben. Die Zusammensetzung der Schmelze 66 kann durch Bestimmen des Gewichts der Schmelze 66 vom Anfangsgewicht der Schmelze an, d. h. dem Gewichts des Galliums im Tiegel 34 vor der Synthese, in gleicher Weise ermittelt werden. Bei der Feststellung des Gewichts der Schmelze 66 ist es unerläßlich, den Einfluß der Druckdifferenz auszuschalten.
Die obige Beschreibung wird durch die folgenden formeln dargestellt
W&sub1; = w&sub1; - ΔP * π * R&sub1;² (1)
W&sub2; = w&sub2; + ΔP * π * R&sub2;² (2)
, wobei P die Druckdifferenz, R&sub1; der Radius der unteren Welle 30, R&sub2; der Radius der oberen Welle 36, W&sub1; das festgestellte Gewicht der GaAs-Schmelze 66 und der Tara, festgestellt vom unteren Kraftmeßwandler 58, wl das tatsächliche Gewicht der Schmelze und der Tara, W&sub2; das festgestellte Gewicht der oberen Welle 36 und der Tara, festgestellt vom oberen Kraftmeßwandler 56 und w&sub2; das tatsächliche Gewicht der oberen Welle 36 und der Tara sind.
Die Gleichungen (1) und (2) werden wie folgt neu geschrieben:
π * ΔP = (w&sub1; - W&sub1;)/R&sub1;²
= (W&sub2; - w&sub2;)/R&sub2;² (3)
w&sub1; = W&sub1; + (W&sub2; - w&sub2;) * R&sub1;²/R&sub2;² (4)
In der Gleichung (4) werden R&sub1; und R&sub2; wie folgt substituiert:
R&sub1; = k * R&sub2; (s)
wobei k eine Konstante ist. Daher ist
w&sub1; = W&sub1; + (W&sub2; - w&sub2;) * k² (6)
Da w&sub2; vor Beginn des Keimvorganges konstant war, gilt
w&sub1; = W&sub1; + k² * W&sub2; - c (7)
, wobei c eine Konstante ist.
Dementsprechend kann unter bezug auf die Gleichung (7) das genaue Gewicht w&sub1; der Schmelze 66 und der Tara während des Synthesevorganges aus W&sub1; und W&sub2; berechnet werden.
Daher ist es möglich, aus der w&sub1;-Berechnung exakt festzustellen, ob das Zusammensetzungsverhältnis stöchiometrisch geworden ist, während die Temperatur des As-Drucksteuerungsofens 44 gesteuert wird. Sobald das Zusammensetzungsverhältnis richtig ist, werden die Bedingungen des Ofens 44 konstant gehalten. Dann kann der Keimbildungs- und Wachstumsprozeß beginnen.
Das Zusammensetzungsverhältnis des wachsenden Einkristalls kann genau und automatisch gesteuert werden, indem die Temperatur des Ofens 44 während des Wachstumsprozesses konstant gehalten wird,

Beispiel 1

Ein Versuch zur Erzeugung eines Einkristalls wurde mit der oben beschriebenen Vorrichtung durchgeführt, indem die Ziehgeschwindigkeit der oberen Welle 36 auf 5 mm/Stunde, die Drehzahl der oberen Welle 36 auf 5 U/min und die Drehzahl der unteren Welle 30 auf 5 U/min gehalten wurden.
Der Syntheseprozess der GaAs-Schmelze wurde durch das oben beschriebene System mit zwei Kraftmeßwandlern überwacht und die Sättigung der Reaktion wurde innerhalb einer Genauigkeit von 0,1 % auf 3 kg GaAs-Schmelze beobachtet. Der hergestellte Einkristall hatte einen Durchmesser von 80 mm und eine Länge von 100 mm. Der Einkristall war von hoher Qualität und ebenso hoher Gleichmäßigkeit.

Zweite Ausführungsform

Fig. 3 zeigt eine zum Züchten eines Einkristalls eines dissoziativen Verbindungshalbleiters benutzte Vorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In fig. 3 wurden den gleichen Elementen die gleichen Bezugszahlen, wie in Fig. 2 zugeordnet, so daß dieser Elemente vermieden wird.
Die obere Welle 36, die bei der zweiten Ausführungsform ebenfalls luftdicht den äußeren und den inneren Behälter 20 bzw. 22 durchquert, weist jedoch keine Hülle 38 auf und ist nicht an den Kraftmeßwandler 56 angeschlossen.
Ein Durchgangsloch ist so ausgebildet, daß es den Boden des unteren Behälterteils 46, das Flanschteil 26 der nach oben stoßenden Welle 24 und den Boden des äußeren Behälters 20 durchdringt. Ein Meßstab 70 zur Feststellung der Differenz zwischen dem Innendruck des inneren Behälters 22 und dem Atmosphärendruck ist in das Durchgangsloch eingesetzt, so daß sich das obere Ende des Stabes 70 ins Innere des inneren Behälters 22 erstreckt. Das untere Ende des Stabes 70 ist an dem zweiten Kraftmeßwandler 72 angeschlossen. Das Gehäuse des zweiten Kraftmeßwandlers 72 ist mit einer Hülle 74, in welche der Meßstab 70 eingeschoben wird, mit dem äußeren Behälter 20 verbunden.
Am Boden des unteren Gehäuseteils 46 ist eine Dichtung 78 ausgebildet, um den Meßstab 70, wie im Falle der Dichtung 54, luftdicht in senkrechter Richtung frei beweglich zu machen.
Der zweite Kraftmeßwandler 72 ist über einen A/D- Wandler 80 an den Rechner 60 angeschlossen. Das Ausgabesignal des Kraftmeßwandlers 72 wird zum A/D- Wandler 80 übertragen und durch denselben in ein Digitalsignal umgewandelt.
Die Digitalsignale vom A/D-Wandler 80 und vom A/D- Wandler 62 werden vom Rechner 60 empfangen, der das Gewicht der GaAs-Schmelze 66 im Tiegel 34 berechnet. Der Rechner 60 steuert die Leistung des Ofens 44 und damit die Zusammensetzung der Schmelze 66. Bei der zweiten Ausführungsform steuert der Rechner 60 weiterhin die Leistung des unteren Heizers 53, um so das Wachsen des Kristalldurchmessers zu steuern.
Bei dieser Anordnung wird Gallium in den Tiegel 34 und festes Arsen auf den Boden des unteren Gehäuseteils 46 eingebracht. die ganze Vorrichtung wird dann evakuiert. Die Dichtung 48 wird abgedichtet, indem das untere Gehäuseteil 46 nach oben gedrückt wird, so daß der innere Behälter 22 von der Außenatmosphäre isoliert wird.
Dann werden der untere Heizer 53 und der obere Heizer 52 eingeschaltet, um die Temperatur zu erhöhen und das Arsen zu verdampfen. Zur gleichen Zeit wird die Temperatur des Ofens 44 so eingestellt, daß der innere Behälter mit Arsengas des vorgegebenen Druckes gefüllt wird, während der äußere Behälter mit einem Inertgas des vorgegebenen Druckes gefüllt wird. Das Arsengas reagiert mit dem Gallium im Tiegel 34, wodurch dort die GaAs-Schmelze 66 synthetisiert wird.
Während des Syntheseprozesses berechnet der Rechner 60 ein genaues Gewicht der GaAs-Schmelze 66 auf der Grundlage der Ausgabesignale des ersten und zweiten Kraftmeßwandlers 58 und 72. Die Temperatur des den As-Druck steuernden Ofens wird so eingestellt, daß die Schmelze 66 das richtige Gewicht, das heißt stöchiometrische Zusammensetzung hat. Ein GaAs-Keim wird am unteren Ende der oberen Welle 36 befestigt und dann in die Schmelze 66 eingetaucht. Die obere Welle 36 wird unter Drehung um ihre Achse nach oben gezogen. Folglich kann ein Einkristall 68 aus GaAs mit stöchiometrischer Zusammensetzung erhalten werden.
Während des Herausziehens der oberen Welle 36 stellt der erste Kraftmeßwandler 58, der an der unteren Welle 30 angebracht ist, zusätzlich die Gewichtsänderung der Schmelze 66 fest. Da das tatsächliche Gewicht der Schmelze 66 vor der Kristallzucht immer gleich einer Summe aus dem Gewicht an verbliebener Schmelze 66 und dem Gewicht des wachsenden Kristalls 68 ist, werden das genaue Gewicht und der genaue Durchmesser des wachsenden Kristalls 68 durch den Rechner 60 berechnet. Der Rechner 60 stellt den Heizer 53 ein, um so den Durchmesser des wachsenden Einkristalls auf der Grundlage des berechneten Kristallgewichts zu steuern.
Durch ein solches Verfahren wird der Nachteil des herkömmlichen Verfahrens, nämlich die Unmöglichkeit, die Zusammensetzung der GaAs-Schmelze 66 festzustellen, beseitigt, so daß die Zusammensetzung des wachsenden Einkristalles eines Verbindungshalbleiters genau gesteuert wird. Ferner kann das Gewicht der Schmelze 66 ohne Ungenauigkeit, die von der Druckdifferenz verursacht werden kann, festgestellt werden.
Es wird weiterhin auch anderer Nachteil des herkömmlichen Verfahrens beseitigt, der in der Ungenauigkeit bei der Feststellung des Gewichts des wachsenden Kristalls infolge der Differenz zwischen dem Druck im inneren Behälter 22 und dem Atmosphärendruck besteht, so daß der Durchmesser des wachsenden Einkristalls des Verbindungshalbleiters genau gesteuert wird.
Da ferner der Meßstab 70 sich weder um seine Achse dreht noch senkrecht bewegt wird, kann die zum Meßstab 70 gehörige Anordnung vereinfacht werden.
Das Prinzip des Verfahrens wird nachfolgend beschrieben. Die Zusammensetzung der Schmelze 66 kann durch Bestimmen des Gewichts derselben vom Anfangsgewicht an erhalten werden, d. h. das Gewicht des Galliums im Tiegel 34 ohne Arsenkomponente ist bekannt Bei der Bestimmung des Gewichts der Schmelze 66 ist es erforderlich, den Einfluß der Druckdifferenz auszuschalten.
Die obige Beschreibung wird durch die folgenden Gleichungen dargestellt:
W&sub1; = w&sub1; + ΔP * π * R&sub1;² (8)
W&sub2; = w&sub2; + ΔP * π * R&sub2;² (9)
, wobei P die Druckdifferenz, R&sub1; der Radius der unteren Welle 30, R&sub2; der Radius des Meßstabes 70, W&sub1; das festgestellte Gewicht der Schmelze 66 und der Tara festgestellt vom ersten Kraftmeßwandler 58, w&sub1; das tatsächliche Gewicht der Schmelze 66 und der Tara, W&sub2; das vom zweiten Kraftmeßwandler 72 festgestellte Gewicht und w&sub2; das tatsächliche Gewicht am Kraftmeßwandler 72 ist.
Die Gleichungen (8) und (9) werden wie folgt neu geschrieben:
π * ΔP = (W&sub2; - w&sub2;)/R&sub2;²
= (W&sub1; - w&sub1;)/R&sub1;² (10)
w&sub1; = W&sub1; - (W&sub2; - w&sub2;) * R&sub1;²/R&sub2;² (11)
In Gleichung (11) werden R&sub1; und R&sub2; wie folgt ersetzt:
R&sub1; = k&sub1; * R&sub2; (12)
, wobei k&sub1; eine Konstante ist. Daher gilt
w&sub1; = W&sub1; - (W&sub2; - w&sub2;) * k&sub1;² (13)
w&sub1; = W&sub1; - k&sub1;² * W&sub2; + c&sub1; (14)
, wobei c&sub1; eine Konstante ist.
Dementsprechend kann unter bezug auf Gleichung (14) das genaue Gewicht wi der Schmelze 66 und der Tara aus W&sub1; und W&sub2; berechnet werden.
Es ist möglich, vor dem Keim-Einführungsvorgang exakt festzustellen, ob das Zusammensetzungsverhältnis stöchiometrisch geworden ist. Wenn das Zusammensetzungsverhältnis seinen richtigen Wert erreicht hat, werden die Bedingungen des Ofens 44 konstant gehalten, um die Zusammensetzung stöchiometrisch zu halten. Dann wird mit dem Keim- und Züchtungsprozeß begonnen.
Auf der Grundlage der Bestimmung des Gewichts w&sub1; kann der Durchmesser des wachsenden Einkristalls mittels des Rechners 60 durch Steuern der Leistung des Heizers 53 genau und automatisch gesteuert werden.
Beim oben geschilderten Aufbau und bei Fig. 3 ist der Meßstab 70 am Boden des inneren Behälters 22 vorgesehen und der zweite Kraftmeßwandler 72 befindet sich unterhalb des Behälters. Jedoch kann der Meßstab 70 auch an der Oberseite des inneren Behälters 22 eingebaut werden und der zweite Kraftmeßwandler 72 kann dann oberhalb des Behälters angeordnet sein.
In diesem Fall wird wie folgt gerechnet:
w&sub1; = W&sub1; - (W&sub2; - w&sub2;) * k&sub1;² (15)
w&sub1; = W&sub1; - k&sub1;² * W&sub2; + c&sub2; (16)
, wobei c&sub2; eine Konstante ist.

Beispiel 2

Ein Versuch zur Erzeugung eines Einkristalls wurde mit der oben beschriebenen, in fig. 3 dargestellten Vorrichtung durchgeführt, indem die Ziehgeschwindigkeit der oberen Welle 36 auf 5 mm/Stunde, die Drehzahl der oberen Welle 36 auf 5 U/min und die Drehzahl der unteren Welle 30 auf 5 U/min gehalten wurden.
Der Syntheseprozess der GaAs-Schmelze wurde durch das oben beschriebene System mit zwei Kraftmeßwandlern überwacht und die Sättigung der Reaktion wurde innerhalb einer Genauigkeit von 0,1 % auf 3 kg GaAs-Schmelze beobachtet. Der hergestellte Einkristall hatte einen Durchmesser von 80 mm und eine Länge von 100 mm. Der Einkristall war von hoher Qualität und ebenso hoher Gleichmäßigkeit Die Abweichung des Kristalldurchmessers war gering und lag in einem Bereich von ± 1 mm.

Claims

1. Verfahren zum einkristallinen Züchten eines dissoziativen Verbindungshalbleiters mit den Schritten:

(a) Bereitstellen eines ersten flüchtigen Komponentenmaterials und eines zweiten Komponentenmaterials des dissoziativen Verbindungshalbleiters, wobei das erste Material am Boden eines luftdichten Behälters (22) angeordnet und das zweite Material in einem Tiegel (34) im luftdichten Behälter (22) enthalten ist sowie der Tiegel (34) von einer unteren Welle (30) getragen wird, die sich durch den luftdichten Behälter (22) nach draußen erstreckt;

(b) Erhitzen des ersten Materials, um es zu verdampfen und mit dem zweiten Material im Tiegel (34) zur Reaktion zu bringen und dadurch eine Schmelze (66) des dissoziativen Verbindungshalbleiters im Tiegel (34) zu synthetisieren und

(c) Ziehen eines Einkristalls aus der Schmelze (66) mittels einer oberen Welle (36) nach oben, wodurch der Einkristall gezüchtet wird und wobei sich die obere Welle (36) aus dem luftdichten Behälter (22) nach außen erstreckt;

dadurch gekennzeichnet, daß

das Verfahren folgende Schritte nach dem Erhitzen aufweist:

(d) feststellen des Gewichts (W1) der Schmelze (66) außerhalb des luftdichten Behälters (22), wobei dieses Gewicht der Schmelze (66) durch die Differenz zwischen dem Innendruck des luftdichten Behälters (22) und dem Druck außerhalb des luftdichten Behälters (22) beeinflußt wird;

(e) Korrigieren des festgestellten Gewichts (W1) der Schmelze (66) durch Beseitigen des Fehlers infolge der Druckdifferenz mittels Einbeziehung des festgestellten Gewichts (W2) eines Körpers (36, 70) mit bekanntem konstanten Gewicht, der sich aus dem luftdichten Behälter (22) nach draußen erstreckt, wobei das festgestellte Gewicht des Körpers durch die Druckdifferenz beeinflußt wird, wodurch eine genaue Bestimmung des Gewichts der Schmelze (66) erhalten wird und

(f) Steuern zumindest eines der beiden Parameter Zusammensetzung der Schmelze (66) und Durchmesser des gezüchteten Kristalls auf der Grundlage genauer Gewichtsdaten der Schmelze (66) durch Einstellen des Innendruckes des luftdichten Behälters (22) beziehungsweise der Temperatur der Schmelze (66) im Tiegel (34).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Steuerschritt (f) das Steuern eines Ofens (44) mit Einrichtungen zum Einstellen der Temperatur dieses Ofens (44) umfaßt, so daß der Innendruck des luftdichten Behälters (22) eingestellt und dadurch die Zusammensetzung der Schmelze gesteuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die obere Welle (36) und die untere Welle (30) runden Querschnitt haben, ein erster Kraftmeßwandler (58) an der unteren Welle (30) und ein zweiter Kraftmeßwandler (56) an der oberen Welle (36) angebracht ist und der Meßschritt (d) vom ersten Kraftmeßwandler (58) durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der zweite Kraftmeßwandler (56) das Gewicht der oberen Welle (36) feststellt, wobei dieses Gewicht der oberen Welle (36) durch die Differenz zwischen dem Innendruck des luftdichten Behälters (22) und dem Druck außerhalb desselben beeinflußt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Meßstab (70) die Wand des lufdichten Behälters (22) luftdicht durchdringt, ein erster Kraftmeßwandler (58) an der unteren Welle (30) und ein zweiter Kraftmeßwandler (72) am Meßstab (70) angebracht ist und der Meßschritt (d) vom ersten Kraftmeßwandler (58) durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der zweite Kraftmeßwandler (72) das Gewicht des Meßstabes (70) feststellt und das Gewicht des Meßstabes (70) von der Differenz zwischen dem Innendruck des luftdichten Behälters (22) und dem Druck außerhalb desselben beeinflußt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 5 und 6, bei dem der Steuerschritt (f) weiterhin das Steuern einer Heizeinrichtung (52, 53) zur Einstellung der Temperatur der Schmelze (66) im Tiegel (34) umfaßt, wodurch der Durchmesser des gezüchteten Kristalls gesteuert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Steuerschritt (f) weiterhin das Berechnen eines bestimmten Gewichtes des gezüchteten Kristalls auf der Grundlage der Gewichtsdaten der Schmelze (66) umfaßt und die Heizeinrichtung (52, 53) auf der Grundlage der Gewichtsdaten des gezüchteten Kristalls gesteuert wird.

9. Vorrichtung zum einkristallinen Züchten eins dissoziativen Verbindungshalbleiters umfassend:

(a) einen äußeren luftdichten Behälter (20) mit einer oberen und einer unteren Wand;

(b) einen inneren luftdichten Behälter (22), der im äußeren luftdichten Behälter (20) angeordnet ist sowie eine obere und eine untere Wand hat;

(c) einen Ofen (44), der im inneren Behälter (22) eingebaut ist, zum Steuern des Druckes eines Gases als eines ersten flüchtigen Komponentenmaterials des dissoziativen Verbindungshalbleiters;

(d) eine untere Welle (30) mit rundem Querschnitt, wobei die untere Welle (30) eine Achse in senkrechter Richtung hat, in senkrechter Richtung beweglich und um ihre Achse drehbar ist und die unteren Wände des äußeren (20) und inneren Behälter (22) in einer senkrechten Richtung lufdicht durchdringt;

(e) einen Tiegel (34) zur Aufnahme eines zweiten Komponentenmaterials des dissoziativen Verbindungshalbleiters, in welchem eines Schmelze (66) der dissoziativen Verbindung durch Reaktion mit dem Gas des ersten Materials synthetisiert wird und der Tiegel im inneren Behälter (22) angeordnet ist und von der unteren Welle (30) getragen wird;

(f) eine Heizeinrichtung (52, 53) zur Erzeugung einer gewünschten Temperaturverteilung im inneren Behälter (22);

(g) eine obere Welle (36) zum Ziehen eines Einkristalls des dissoziativen Verbindungshalbleiters aus der Schmelze (66) nach oben, wobei der Einkristall gezüchtet wird und die obere Welle (36) runden Querschnitt und eine Achse in senkrechter Richtung hat, in senkrechter Richtung beweglich sowie um ihre Achse drehbar ist und die oberen Wände des äußeren (20) und inneren Behälters (22) in einer senkrechten Richtung oberhalb des Tiegels (34) luftdicht durchdringt;

gekennzeichnet durch

(h) einen ersten Kraftmeßwandler (58), angeordnet am äußeren Behälter (20) außerhalb des inneren luftdichten Behälters (22), wobei der erste Kraftmeßwandler (58) an der unteren Welle (30) angebracht ist, um das Gewicht (W1) der Schmelze (66) festzustellen und dieses Gewicht durch die Differenz zwischen einem Innendruck des inneren Behälters (22) und einem Druck außerhalb des inneren Behälters (22) beeinflußt wird und

(i) einen zweiten Kraftmeßwandler (56, 72), angeordnet am äußeren Behälter (20) außerhalb des inneren luftdichten Behälters (22), wobei der zweite Kraftmeßwandler (56, 72) an einen Körper (36, 70) angebracht ist, um das Gewicht des Körpers festzustellen, wobei der Körper ein bekanntes konstantes Gewicht hat, sich im luftdichten Behälter (22) von innen nach außen erstreckt, sein festgestelltes Gewicht von der Druckdifferenz beeinflußt und sein festgestelltes Gewicht zur Korrektur des festgestellten Gewichts der Schmelze (66) hinsichtlich des Fehlers infolge der Druckdifferenz benutzt wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der der zweite Kraftmeßwandler (56) an der oberen Welle (36) angebracht ist, um das Gewicht der oberen Welle (36) festzustellen, das von der Druckdifferenz beeinflußt wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, weiterhin umfassend:

einen Meßstab (70), der die Wand des inneren Behälters (22) luftdicht durchdringt, wobei der zweite Kraftmeßwandler (72) an dem Meßstab (70) angebracht ist, um dessen Gewicht festzustellen, das von der Druckdifferenz beeinflußt wird.