DE968582C - Verfahren zur Bereitung einer Schmelze eines bei gewoehnlicher Temperatur halbleitenden Materials - Google Patents

Description

• Verfahren zur Bereitung einer Schmelze eines bei gewöhnlicher Temperatur halbleitenden Materials Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Schmelze eines bei normaler Temperatur halbleitenden Materials in einem Tiegel unter Anwendung der induktiven Hochfrequenzerhitzung, vorzugsweise zur Herstellung eines halbleitenden Einkristalls aus einer solchen Schmelze. Dadurch sollen höhere Reinheitsgrade des halbleitenden Materials erzielt werden.
• Diese Aufgabe der Bereitung von Schmelzen höchsten Reinheitsgrades tritt beispielsweise bei der Herstellung von Halbleiter-Einkristallen auf, wo bekanntlich von einer äußerst reinen Schmelze des betreffenden Materials ausgegangen werden muß. Schon spurenhafte Änderungen in Art und Konzentration der Verunreinigungen können das elektrische Verhalten des Halbleiters grundlegend verändern. Die bekannten Verfahren, welche sich zur Bereitung einer Schmelze vorzugsweise der Methode der Hochfrequenzerhitzung bedienen, werden dieser bestehenden Forderung nach höchsten Reinheitsgraden jedoch nicht in befriedigendem Maße gerecht. Selbst bei Beachtung der größten Vorsichtsmaßnahmen läßt sich nicht verhindern, daß bei den hohen Schmelztemperaturen gewisse in der Tiegelsubstanz enthaltene Bestandteile in die Schmelze hineindiffundieren oder unter Umständen sogar mit dieser chemische Reaktionen eingehen, wodurch Verunreinigungen in das Schmelzgut gelangen. Beispielsweise haben selbst die für manche Zwecke als vorteilhaft erscheinenden Kohletiegel in diesem Zusammenhang häufig den Nachteil aufzuweisen, mit dem Tiegelinhalt unter Bildung von Karbiden zu reagieren und hierdurch die Reinheit der Schmelze in Frage zu stellen.
• Um solche Verunreinigungen weitgehend herabzusetzen, muß daher in bezug auf die Wahl des Tiegelmaterials die Forderung gestellt werden, daß die Affinität der Stoffe, aus denen der Tiegel besteht, zueinander größer ist als die Affinität irgendeiner möglichen Verbindung aus Tiegelinhalt und irgendeinem Bestandteil des Tiegelwerkstoffes. Die ideale Lösung würde demnach in der Schaffung eines Tiegels bestehen, welcher aus denselben Stoffen besteht wie das in dem Tiegel selbst befindliche Schmelzgut. Zur Herstellung einer Schmelze aus Germanium müßte beispielsweise ein Tiegel aus Germanium verwendet werden, die Herstellung einer Siliziumschmelze würde einen Tiegel aus Silizium erforderlich machen. Ein solcher Tiegel in der üblichen Form läßt sich jedoch nicht verwenden, da dieser bei normaler Erhitzung ebenfalls schmelzen würde.
• Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, daß das halbleitende Schmelzgut vor Anwendung der Hochfrequenzerhitzung in einer mittleren Zone des Tiegelvolumens mittels Strahlung in an sich bekannter Weise auf eine solche Temperatur vorerhitzt wird, daß das Schmelzgut nur innerhalb dieser Zone leitend wird, daß anschließend das so vorbereitete Material dem Hochfrequenzfeld ausgesetzt wird und daß die Tiegelwand gekühlt wird.
• Die Temperatur, bei welcher sich das elektrische Verhalten des Halbleiters sehr stark ändert, liegt beispielsweise für Germanium bei 6o bis 70° C. Im Gegensatz zum Vorbekannten kommt so beim erfindungsgemäßen Verfahren die flüssige Schmelze mit der eigentlichen Tiegelwand nicht in Berührung. Die bei vorbekannten Verfahren auftretenden Nachteile durch Verunreinigungen durch die Tiegelwand werden also vermieden.
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird erreicht, daß sich nach Einschalten des Hochfrequenzfeldes der Schmelzvorgang zunächst nur in der. mittleren, durch die Vorerwärmung leitend gewordenen Zone des. Tiegelvolumens ausbilden kann und die Randschichten vorerst noch fest bleiben. Der Schmelzvorgang greift vielmehr erst im Laufe der Zeit durch direkte Er-. wärmung und Vermischung von der heißen Mitte aus auch auf diese Randschichten über, wobei ein immer größer werdendes Gebiet, von innen nach außen wachsend, von dem Schmelzvorgang erfaßt wird. Wenn das ursprüngliche Schmelzgut, mit welchem der Tiegel beschickt worden ist, beispielsweise in körniger oder pulvriger Form vorliegt und daher zunächst noch keine zusammenhängende homogene Masse bildet, kann man sich diesen Vorgang im einzelnen so vorstellen, daß das in der mittleren Zone zuerst geschmolzene Gut im folgenden in die Poren und Zwischenräume der an sie angrenzenden, weiter außen liegenden Zone eindringt, wobei einerseits diese Zone auf eine höhere Temperatur erwärmt wird, andererseits eine Wiedererstarrung der bereits geschmolzenen Substanz eintritt. Da jedoch diese nun auf höhere Temperatur erwärmte Zone hierdurch auch leitend geworden ist, beginnt nun auch diese im Hochfrequenzfeld zu schmelzen und das geschmolzene Gut in die Zwischenräume und Poren der wiederum ihr benachbarten Gebiete einzudringen. Auf diese Weise greift der Schmelzvorgang schrittweise auf immer weiter außen liegende Zonen über, so daß nach und nach eine vollständig in sich zusammenhängende Masse ohne Poren und Zwischenräume entsteht, welche den ganzen Tiegel ausfüllt und zu einem immer größeren Teil vom Hochfrequenzfeld erfaßt wird.
• An sich würde ohne besondere Vorkehrungen die Ausbreitung dieses Schmelzvorganges so lange vor sich gehen, bis auch die letzte, unmittelbar der Tiegelwand anliegende Schicht erfaßt und der gesamte Tiegelinhalt geschmolzen ist. Sorgt man jedoch erfindungsgemäß während der Hochfrequenzheizung für eine sfändige Kühlung der Tiegelwand von außen her, so läßt sich erreichen, daß die letzte, der Tiegelwand unmittelbar anliegende Schicht auf einer Temperatur gehalten wird, bei welcher die Schmelzsubstanz noch keinen metallischen Charakter besitzt und daher auch keiner Erwärmung durch das Hochfrequenzfeld unterliegt. Die Tiegelwand ist hierdurch von innen her gewissermaßen mit einer aus der zu schmelzenden Substanz bestehenden Haut überzogen, welche eine direkte Berührung des Schmelzgutes mit der eigentlichen Tiegelwand verhindert. Diffusionsvorgänge und chemische Reaktionen zwischen Tiegelinhalt und Tiegelwand sind damit weitgehend unterbunden und die Herstellung reinster Schmelzen gewährleistet, wie sie z. B. bei der Erzeugung von Germanium- oder Silizium-Einkristallen gefordert werden. Besonders einfach gestaltet sich das Verfahren natürlich dann, wenn die zu schmelzende Substanz von vornherein als massiver Körper zur Verfügung steht.
• Die erfindungsgemäße, in der mittleren Zone des Tiegelvolumens stattfindende Vorerwärmung des Schmelzgutes ist auf verschiedene Weise möglich. Besonders empfiehlt es sich, eine Erwärmung durch Strahlung anzuwenden, da sich bei einem solchen Verfahren die erforderliche Lokalisierung der Wärmezufuhr auf den gewünschten Bereich in sehr einfacher Weise mit optischen Mitteln erreichen läßt.
• Die Zeichnung zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Schmelzofens zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Schmelztiegel r, der z. B. aus Kohle oder Quarz besteht, ist mit einem pulverförmigen Füllmaterial a beschickt und von einem Kühlmantel 3 umgeben, der beispielsweise als Durchflußkülilüng ausgebildet sein kann. Es ist vorteilhaft, ein solches Kühlmittel zu verwenden und die Einrichtung nach Möglichkeit derart zu treffen, daß die Hochfrequenzerwärmung im wesentlichen auf die mittleren Teile der Tiegelfüllung beschränkt bleibt. Dies läßt sich beispielsweise mit destilliertem Wasser oder Öl als Kühlmittel erreichen. Die Kühlung sorgt dafür, daß die der Tiegelwand unmittelbar anliegende Schicht q. des Schmelzgutes von dem Schmelzvorgang nicht erfaßt wird, sondern sich hier ein zusammenhängender und bleibender Überzug aus dem Schmelzmaterial bildet. Mit 5 sind die Windungen der Hochfrequenzspule gekennzeichnet, und 6 stellt die zur Vorerwärmung dienende Strahlungsquelle dar, deren Strahlengang mittels der Optik 7 auf die mittlere Zone des Tiegelvolumens gerichtet werden kann.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Verfahren zur Herstellung einer Schmelze eines bei normaler Temperatur halbleitenden Materials in einem Tiegel unter Anwendung der induktiven Hochfrequenzerhitzung, vorzugsweise zur Herstellung eines halbleitenden Einkristalls aus einer solchen Schmelze, dadurch gekennzeichnet, daß das halbleitende Schmelzgut vor Anwendung der Hochfrequenzerhitzung in einer mittleren Zone des Tiegelvolumens mittels Strahlung in an sich bekannter Weise auf eine solche Temperatur vorerhitzt wird, daß das Schmelzgut nur innerhalb dieser Zone leitend wird, daß anschließend das so vorbereitete Material dem Hochfrequenzfeld ausgesetzt wird und daß die Tiegelwand gekühlt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Berichte d. dtsch. chem. Gesellschaft, Bd. 42 (zgog), S. 2863 bis a866; Zeitschr. f. anorg. u. allgem. Chemie, Bd. 265 (195I), S. 1g3.