HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einkristallzüchtungs-
Vorrichtung und insbesondere eine Einkristallzüchtungs-
Vorrichtung, die durch ein Zonenschmelzverfahren einen
Einkristallstab aufbaut.
2. Beschreibung des Standes der Technik
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Gemäß dem Zonenschmelzverfahren trägt eine oberere senkrechte
Welle einen Polykristallstab, trägt eine unterere senkrechte
Welle einen Impfkristall, und eine Hochfrequenzspule verbindet
die beiden sich berührenden Enden des Polykristallstabs und des
Impfkristalls, indem sie diese schmilzt. Dann werden der
Polykristallstab und der Impfkristall gedreht, während die
obere und untere senkrechte Welle zusammen abgesenkt werden,
und eine durch die Hochfrequenzspule erzeugte Schmelzzone (d.h.
Schmelze) wird allmählich in Richtung auf den an die Schmelze
angrenzenden und sich oberhalb der Schmelze befindenden
Polykristallstab verlagert, und dadurch wird ein Einkristall
auf dem Impfkristall gezüchtet.
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FIG. 4 veranschaulicht diese Einkristallzüchtungs-Vorrichtung
nach dem Stand der Technik. Ein eine Kammer begrenzendes
Gehäuse wird mit 1 bezeichnet. Das Gehäuse 1 weist eine obere
senkrechte Welle 1a und eine untere senkrechte Welle 1b auf,
die koaxial verlaufen. Die obere senkrechte Welle 1a trägt
koaxial einen Polykristallstab 2a und die untere senkrechte
Welle 1b trägt koaxial einen Impfkristall 2b, so daß der
Polykristallstab 2a und der Impfkristall 2b koaxial fluchten.
Das Gehäuse 1 enthält eine schalenartig vertiefte
Einzelwindungs-Hochfrequenzspule 3, die im wesentlichen in der
Mitte der Kammer des Gehäuses 1 angeordnet ist.
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Die obere bzw. untere senkrechte Welle 1a und 1b der
Einkristallzüchtungs-Vorrichtung nach dem Stand der Technik
drehen den Polykristallstab 2a und den Impfkristall 2b mit
gleichen oder verschiedenen Drehgeschwindigkeiten und sinken
gleichzeitig mit einer gleichen Geschwindigkeit herab, um die
Schmelze allmählich in axialer Richtung zu dem an die Schmelze
angrenzenden und sich oberhalb von ihr befindenden
Polykristallstab 2a hin zu verlagern, um einen Einkristallstab
2c auf dem Impfkristall 2b aufzubauen.
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Das Gehäuse 1 der Einkristallzüchtungs-Vorrichtung nimmt ein
Dotiergas auf (z.B. B&sub2;H&sub6;, wenn der Einkristallstab 2c p-dotiert
ist, und andererseits PH&sub3;, wenn der Einkristallstab 2c n-
dotiert ist), das durch das untere Ende des Gehäuses 1
eingeleitet wird, damit sich der p- oder n-dotierte
Einkristallstab 2c mit einem vorbestimmten spezifischen
Widerstand bildet. Die Einkristallzüchtungs-Vorrichtung führt
ein verbrauchtes Dotiergas durch das obere Ende des Gehäuses
1 ab.
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Die Einkristallzüchtungs-Vorrichtung nach dem Stand der Technik
weist die folgenden Nachteile bei Herstellung des p- oder n-
dotierten Einkristallstabs 2c auf:
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Das heißt, da der Polykristallstab 2a und Einkristallstab 2c
(im folgenden wird auf die beiden Stäbe normalerweise bloß als
Halbleiterstab oder Halbleiterstäbe Bezug genommen) der
Atmosphäre des Dotiergases ausgesetzt sind, das in das Gehäuse
1 eingeleitet wird, wird der Fremdstoff des Dotiergases nicht
nur direkt in die Schmelze hinein gelöst, sondern auch
zersetzt, so daß er sich auf den eine hohe Temperatur
aufweisenden Oberflächen der Halbleiterstäbe 2a, angrenzend an
die Schmelze abscheidet, so daß sich der Fremdstoff vermischt
und im Verlauf des Schmelzens der Halbleiterstäbe in einem
Einkristallzüchtungsschritt in die Halbleiterstäbe diffundiert.
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Folglich muß der spezifische Widerstand des Einkristallstabs
2c nicht nur von der Menge des Fremdstoffs abhängen, die direkt
in die Schmelze aufgenommen wird, sondern auch von der Menge
des Fremdstoffs, die auf einem Teil des Polykristallstabs 2a,
der an die Schmelze angrenzt, abgeschieden wird und sich dann
direkt oder mit einer vorherigen Diffusion in der Schmelze
löst, so daß der spezifische Widerstand des Einkristallstabs
2c schwierig zu steuern ist.
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Das heißt, da der Polykristallstab 2a allmählich vom unteren
Ende zum oberen Ende hin geschmolzen wird, nimmt der
Polykristallstab 2a den Dotierfremdstoff mit einer zunehmend
größeren Rate auf, während der Polykristallstab 2a zum
Schmelzen absinkt, weil ein oberer Teil des Polykristallstabs
2a dem Dotiergas über der Oberfläche länger als ein unterer
Teil desselben ausgesetzt ist. Die Einkristallzüchtungs-
Vorrichtung nach dem Stand der Technik bringt insofern ein
Problem mit sich, als der spezifische Produktwiderstand des
Einkristallstabs 2c zum Ende des Einkristallstabs 2c hin immmer
mehr abnimmt, wie in FIG. 5 dargestellt.
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Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die obigen
Probleme gemacht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine
Einkristallzüchtungs-Vorrichtung bereitzustellen, die einen
Einkristallstab erzeugt, bei dem der spezifische Widerstand
entlang der Achse des Einkristallstabs im wesentlichen konstant
ist.
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Um das Ziel zu erreichen, umfaßt die Einkristallzüchtungs-
Vorrichtung der vorliegenden Erfindung: ein eine Kammer
begrenzendes Gehäuse; einen oberen senkrechten Stab, der sich
in das eine Kammer begrenzende Gehäuse hinein erstreckt, wobei
die obere senkrechte Welle entweder einen Polykristallstab oder
einen Impfkristall trägt; einen unteren senkrechten Stab, der
sich koaxial zu dem oberen senkrechten Stab in das eine Kammer
begrenzende Gehäuse hinein erstreckt, wobei die untere
senkrechte Welle den anderen von dem Polykristallstab und dem
Impfkristall trägt; eine Hochfrequenzspule, die im Inneren des
die Kammer begrenzenden Gehäuses vorgesehen ist und einen Teil
des Polykristallstabs schmilzt, um eine Schmelzzone zwischen
dem Polykristallstab und dem Impfkristall zu erzeugen, wobei
der Polykristallstab und der Impfkristall gedreht werden,
während die Schmelzzone allmählich in Richtung auf den
angrenzend an und oberhalb der Schmelzzone vorgesehenen
Polykristallstab verlagert wird; eine Einrichtung zur
Einleitung eines Dotiergases in das die Kammer begrenzende
Gehäuse; eine in dem die Kammer begrenzenden Gehäuse
vorgesehene Einrichtung, um den gesamten Teil des restlichen
Polykristallstabs außer der Schmelzzone von der das Dotiergas
enthaltenden Atmosphäre abzutrennen, wobei die Trenneinrichtung
nahe der Schmelzzone zur Kammer offen ist; und eine Einrichtung
zum Einführen eines Inertgases in die Trenneinrichtung, so daß
verhindert wird, daß das Dotiergas in das Innere der
Trenneinrichtung eindringt, wobei die Einkristallzüchtungs-
Vorrichtung einen mit Fremdstoff dotierten Einkristall aufbaut.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung schützen die Trenneinrichtung
und die Inertgas-Einführeinrichtung zusammen den gesamten Teil
des Polykristallstabs außer der Schmelzzone vor einem Aufnehmen
des Dotierungsfremdstoffes des Dotiergases während eines
Einkristallwachstums. Der spezifische Widerstand eines
gezüchteten Einkristallstabs hängt im wesentlichen nur von der
Rate des Dotierungsfremdstoffes ab, der direkt durch die
Schmelzzone in den Einkristallstab aufgenommen wird. Folglich
erreicht die vorliegende Erfindung eine hochpräzise Steuerung
des spezifischen Widerstands des Einkristallstabs und stellt
einen Einkristallstab mit einem spezifischen Widerstand bereit,
der über die gesamte Länge des Einkristallstabs gleichförmig
ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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FIG. 1 ist ein Längsschnitt durch eine
Einkristallzüchtungs-Vorrichtung einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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FIG. 2 ist eine graphische Darstellung, die den
spezifischen Widerstand eines Einkristallstabs und in dessen
Achse darstellt, der durch die Einkristallzüchtungs-Vorrichtung
von FIG. 1 aufgebaut wurde;
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FIG. 3 ist ein Längsschnitt durch eine
Einkristallzüchtungs-Vorrichtung einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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FIG. 4 ist ein Längsschnitt durch eine
Einkristallzüchtungs-Vorrichtung nach dem Stand der Technik;
und
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FIG. 5 ist eine graphische Darstellung, die den
spezifischen Widerstand eines Einkristallstabs und in dessen
Achse darstellt, der durch die Einkristallzüchtungs-Vorrichtung
nach dem Stand der Technik von FIG. 4 aufgebaut ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
werden mit Bezug auf die Figuren 1-3 und 5 im folgenden
beschrieben.
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FIG. 1 veranschaulicht eine Einkristallzüchtungs-Vorrichtung
einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie
in FIG. 1 dargestellt, umfaßt die Einkristallzüchtungs-
Vorrichtung ein eine Kammer begrenzendes Gehäuse 11, eine obere
senkrechte Welle 11a, die sich in das Gehäuse 11 hinein
erstreckt, eine untere senkrechte Welle 11b, die sich koaxial
zu der oberen senkrechten Welle 11a in das Gehäuse 11 hinein
erstreckt und eine schalenartig vertiefte Einzelwindungs-
Hochfrequenzspule 13, die im wesentlichen in der Mitte der
Kammer angeordnet ist. Sowohl die obere als auch untere
senkrechte Welle 11a und 11b sind drehbar und in vertikaler
Richtung bewegbar. Die obere senkrechte Welle 11a trägt koaxial
einen Polykristallstab 12a, so daß das obere Ende des
Polykristallstabs 12a am unteren Ende der oberen senkrechten
Welle 11a befestigt ist. Die untere senkrechte Welle 11b trägt
koaxial einen stabförmigen Impfkristall 12b, so daß das untere
Ende des Impfkristalls 12b am oberen Ende der unteren
senkrechten Welle 11b befestigt ist.
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Das Gehäuse 11 weist eine Haube 14 auf, die unmittelbar
oberhalb der Hochfrequenzspule 13 an seiner Decke befestigt ist
und den gesamten Teil des Polykristallstabs 12a, der angrenzend
an eine Schmelze in dem Polykristallstab 12a angeordnet ist,
vor der Atmosphäre aus einem Dotiergas schützt oder weitgehend
von dieser abtrennt, welches die Kammer des Gehäuses 11 füllt
und durch einen Vorsprung des Gehäuses 11 in der Mitte von
dessen unterem Ende eingeleitet wird. Das untere Ende der Haube
14 ist nahe der Schmelze zur Kammer hin offen. Die Innenwand
der Haube 14 verjüngt sich zum engeren offenen unteren Ende der
Haube 14 hin, die in Richtung der Hochfrequenzspule 13
herabhängt. Ein Inertgas, beispielsweise Argongas, wird in die
Haube 14 durch einen Vorsprung des Gehäuses in der Mitte von
dessen oberen Ende eingeleitet. Das Inertgas strömt durch das
Innere der Haube 14 und einen Zwischenraum zwischen dem
Polykristallstab 12a und dem Rand der Wand des offenen unteren
Endes der Haube 14 hinab in die Atmosphäre aus dem Dotiergas.
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Die Einkristallzüchtungs-Vorrichtung der ersten Ausführungsform
mit der obigen Anordnung baut einen Einkristallstab 12c auf.
Die Haube 14 und das Inertgas, das durch das Innere der Haube
14 aus dem unteren Ende der Haube 14 heraus abwärts strömt,
wirken im wesentlichen zusammen, um denjenigen Teil des
Polykristallstabs 12a außer der, d.h. angrenzend an die,
Schmelze im Polykristallstab 12a von der Atmosphäre des
Dotiergases zu trennen, so daß das Dotiergas nicht zu dem an
die Schmelze amgrenzenden Teil des Polykristallstabs 12a
vordringen kann. Das heißt, der an die Schmelze angrenzende
Teil des Polykristallstabs 12a kann den Fremdstoff des
Dotiergases nicht einfangen. Folglich hängt der spezifische
Widerstand des Einkristallstabs 12c im wesentlichen nur von der
Rate ab, mit der der Fremdstoff direkt in die Schmelze
aufgenommen wird. Wie in FIG. 2 gezeigt, stellt die
Einkristallzüchtungs-Vorrichtung der ersten Ausführungsform den
Einkristallstab 12c mit einem über die Achse des
Einkristallstabs 12c konstanten spezifischen Widerstand bereit.
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FIG. 3 veranschaulicht eine Einkristallzüchtungs-Vorrichtung
einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die
zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten
Ausführungsform dadurch, daß eine Haube 14 der zweiten
Ausführungsform einen hohlen zylindrischen Endteil 14a umfaßt,
der den Polykristallstab 12a umgibt und zu diesem koaxial ist,
wobei ein vorbestimmter enger Zwischenraum zwischen der
Innenwand des unteren Hauben-Endteils 14a und dem
Polykristallstab 12a vorhanden ist. Da die Teile der
Einkristallzüchtungs-Vorrichtung außer dem unteren Hauben-
Endteil 14a dieselben Anordnungen aufweisen, wie diejenigen der
Vorrichtung der ersten Ausführungsform, weisen diese Teile
dieselben Bezugszeichen auf, und die Beschreibungen dieser
Teile werden nicht wiederholt.
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Die zweite Ausführungsform weist im wesentlichen dieselben
Vorteile wie die erste Ausführungsform auf. Gemäß der zweiten
Ausführungsform verstärkt der enge Zwischenraum, der sich
zwischen dem unteren Endteil 14a und dem Polykristallstab 12a
erstreckt, die Dichtwirkung des Inertgases, so daß das
Dotiergas nicht in das Innere der Haube 14 eindringen wird.
Folglich fördert die zweite Ausführungsform die Steuerung des
spezifischen Widerstands beim Aufbau des Einkristallstabs 12c
besser.
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In anderen Auführungsformen der vorliegenden Erfindung, die
nicht in den Figuren dargestellt sind, kann eine
Einkristallzüchtungs-Vorrichtung im wesentlichen dieselbe Haube
umfassen, die eine an die Schmelze angrenzende Seite des
Impfkristalls 12b vor der Atmosphäre aus dem Dotiergas schützt
oder weitgehend von ihr abtrennt.
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Ferner kann alternativ eine obere senkrechte Welle 1 einen
Impfkristall tragen, und eine untere senkrechte Welle kann
einen Polykristallstab tragen.