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Verfahren zur Herstellung von Einkristallen aus halbleitenden Stoffen
Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Herstellung von Einkristallen aus Halbleiterstoffen
be# kannt, wobei ein einkristalliner Zuchtkeim in die Schmelze des Halbleitermaterials
eingetaucht und dann langsam aus der Schmelze gezogen wird, so daß ein Teil der
Schmelzoberfläche angehoben wird und beim Erstarren gleichmäßig in der Orientierung
des Impfkeimes kristallisiert.
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Bei den bisher bekannten Verfahren ist es nachteilig, daß öfters »Umschläge«
sowie hohe Versetzungsdichten auftreten, d. h., beim Ziehen des Einkristalls
ergeben sich Störungen im Wachstum, wobei Orientierungswechsel entstehen. Diese
Erscheinungen treten insbesondere bei Halbleitern mit hohem Schmelzpunkt auf. Ferner
besteht die Schwierigkeit, aus Schmelzen halbleitender Verbindungen Einkristalle
zu ziehen, wenn, z. B. bei AlSb, eine Komponente bei der Schtnelztemperatur einen
hohen Dampfdruck aufweist und der Dampf sich an den kälteren Teilen der Apparatur
niederschlägt. Dadurch wird das stöchiometrische Verhältnis in der Schmelze gestört,
weil die eine Komponente immer -,vieder aus der Schmelze in den, Dampfzustand tritt.
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Um die Einkristallziehvorgänge ohne Störungen ablaufen zu lassen,
d. h. um eine gleichmäßige und versetzungsarme Anordnung der Teilchen zu
ei-reichen, ist es notwendig, daß drei Bedingungen eingehalten werden: Das Schmelzen
des Halbleitermaterials muß im Tiegel eine reine und von erkennbaren Verunreinigungen,
wie Häutchen od. dgl., freie Oberfläche haben.
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Es muß ferner an der Phasengrenze, d. h. an der Grenzfläche
zwischen Kristall und Schmelze, ein großer vertikaler Temperaturgradient vorhanden
sein.
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Weiterhin darf kein radialer, d. li. längs der Phasengrenzfläche
verlaufender Temperaturgradient vorhanden sein.
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Die Einhaltung dieser Bedingungen wird im folgenden beispielsweise
für Silizium untersucht.
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Das Silizium wird meist in Quarztiegeln geschmolzen. Es treten jedoch
aus dem Quarz schon unterhalb des Erweichungspunktes Si02#bämpfe aus, die sich auf
den kühleren Teilen und damit auf den Siliziumstücken niederschlagen und nach dem
Schmelzen auf der Oberfläche ein dünnes Häutchen bilden. Die Verwendung anderen
Tiegelmaterials scheitert an den Reaktionsmöglichkeiten mit dem Silizium, so bildet
sich z. B. bei Verwendung von Graphittiegeln Siliciumcarbid. Der Niederschlag der
Si02-Dämpfe auf dem Schmelzgut wird verhindert, wenn man den Tiegel nur im unteren
Teil mit Siliziumstücken anfüllt und den Tiegel im inneren Ofen hält. Beim Eintauchen
des Zuchtkeimes in die Schmelze ist jedoch der notwendige große Temperaturgradient
senkrecht zur Phasengrenzfläche nicht vorhanden.
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Urn einen hohen Temperaturgradienten senkrecht zur Phasengrenzfläche
zwischen Schmelze und Einkristall zu bekommen, wurde bereits vorgeschlagen in der
Halterung des Zuchtkeimes Kühlwasser durchzuleiten und zu kühlen. Dies ist jedoch
schwierig und bedeutet einen komplizierten apparativen Aufwand, weil dabei gleichzeitig
die für die Züc.htung notwendigen Bewegungen des Zuchtkeimes einzuhalten sind. Es
wurde festgestellt, daß der Temperaturgradient in dem Maße abnahm, wie der Kristall
wuchs, da die Wärmeleitung des Halbleitermaterials gering ist und die Schmelze sich
auch nach unten senkt.
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Bei einem weiteren bekannten Verfahren wird z. B. Wasserstoffgas aus
ringförmig angeordneten Düsen zur Spülung auf das gezogene Material geblasen-. Hierbei
wird zwar ein ausreichend großer vertikaler Temperaturkoeffizient erzielt, gleichzeitig
entsteht j edoch ein bedeutender radialer Temperaturkoeffizient, der unerwünscht
ist.
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Es ist ferner bekannt, bei der Herstellung von Einkristallen aus Verbindungen
mit leichtflüchtigen Anteilen mit einem Z-weitemperaturofen zu arbeiten, um die
Gefäßwandungen und die Teile außerhalb, des Schmelzgefäßes auf einer Temperatur
oberhalb der Kondensations- bzw. der Sublimationstemperatur zu halten. Die Heizvorrichtung
wird dazu in eine Mehrzahl aufgeteilt, wovon eine die Schmelze auf Temperatur hält,
die übrigen Heizeinrichtungen halten die Teile der Schmelzeinrichtung auf einer
Temperatur oberhalb des Kondensations- bzw. Sublimationspunktes,
die
mit den leichtflüchtigen Anteilen in Berührung kommen. Es wird somit die Verringerung
einer Komponente in der Schmelze vermieden; es wird jedoch kein konstanter großer
vertikaler Temperaturkoeffizient erzielt.
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Zur Erzeugung von Einkristallen aus der Schmelze ist es ferner bekannt,
um den aus der Schmelze gezogenen Stab zumindest im unteren Bereich in Achsrichtung
einen reflektierenden, nach oben sich kegelförmig verjüngenden Schirm anzuordnen.
Hierbei wird zwar ein günstiger radialer Temperaturgradient erreicht, aber die Einhaltung
eines konstanten großen vertikalen Temperattirkoeffizienten ist nicht gewährleistet.
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Bei allen diesen Verfahren ist es nachteilig, daß beim Schmelzen des
Halbleiterinaterials der Tiegelinhalt nicht auf gleicher Temperatur wie der Tiegel
gehalten wird, so daß sich Dämpfe aus dem Tiegelmaterial auf der Schmelze niederschlagen.
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Diese Mängel werden vermieden, wenn zur Herstellung eines Einkristalls
aus einem halbleitenden Stoff erfindungsgemäß vor dem Eintauchen des Keimes der
Tiegel mit der Schmelze gegenüber der Heizung etwas gehoben und die Oberfläche der
Schmelze während des Ziehens in einer konstanten Entfernung von der Wärmequelle
gehalten wird.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird gewährleistet, daß das zu
schmelzende Gut während des Schmelzens auf einer nicht wesentlich niederen Temperatur
gehalten wird als das Tiegelmaterial, so daß austretende Dämpfe aus dem Tiegelmaterial
sich nicht auf dem Schmelzgut niederschlagen können. Zur Züchtung des Einkristalls
wird die Schmelze so weit aus dein Bereich des Ofens herausgehoben, daß der eintauchende
Zuchtkeim von dein Ofen nicht wesentlich erwärmt und so der gewünschte Temperaturgradient
erreicht wird.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung
benötigt, die es gestattet, den Tiegel gegenüber der Wärmequelle zu bewegen. Solche
Vorrichtungen sind an sich bekannt.
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Der Gegenstand der Erfindung wird an Hand der Abbildungenheispielsweise
erläutert.
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Abb. 1 zeigt eine Einkristallzüchtungseinrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens in vereinfachter Darstellung im Schnitt. Als Behälter
dient ein Quarzrohr 1 das oben und unten mit je
einem wassergekühlten
Messingschliff 2 und 3 versehen ist. Seitwärts aus dem Rohr entspringt ein
Ansatz 4, der einen Schliffkern 5 trägt und mit einer Glashülle abgeschlossen
ist, die ein Einblickfenster 6
aus temperaturbeständigem Glas enthält. Der
obere Messingschliff 2 enthält eine Buchse7, durch die die Ziehstange
6 durchgeführt ist, die den Keimhalter 9
mit dem Zuchtkeim
10 trägt. In dem Quarzrohr 1 bE-
finden sich mehrere Vorsprünge
11, auf denen der Ofen 12 ruht. Der Ofen 12 enthält ohnische Widerstände
als Wärmequelle. Die Anschlüsse für die Ileizspirale sind durch die Einschmelzungen
13 aus--geführt.
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Zur Aufnahme des Schmelzgutes, z. B. der Siliziumstücke, dient der
Schmelztiegel 14. Der Tiegel hängt an einer Art Kurbelwelle 15, die durch
einen Rohrstutzen 16 in die Quarzröhre 1 ragt und mittels einer Stopfbuchse
17 in #äem wassergekühlten Messingschliff 18 gehaltert wird. Der gesamte
Vorgang muß in einer inerten Gasatmosphäre ablaufen. Zu diesem Zweck wird durch
den Schlauchansatz 19 gereinigtes Wasserstoffgas in das Quarzrohr hineingedrückt
und durch den Schlauchansatz 20 wieder abgeführt.
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Der Arbeitsablauf beginnt mit dem Schmelzen der Siliziumstücke 21
in dem Quarztiegel 14, wobei der Tiegel ganz in den Ofen 12 gesenkt wird, um einen
Niederschlag von Si 0.-Dämpfen an der. Oberseite der Siliziumbrocken 21 zu vermeiden.
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Nach dem Schmelzen des Siliziums wird der Tiegel entsprechend Abb.
2 von der Stellung 22 in die Stellung 23 angehoben und der Zuchtkeirn
an der Ziehstange in die Schmelze eingetaucht, wobei die Siliziumschinelze genauestens
auf der Schmelztemperatur gehalten wird. Der Zuchtkeim wird. danach mit einer sehr
geringen Geschwindigkeit aus der Schmelze gezogen, um einen geordneten Kristallisationsprozeß
einzuleiten. Die noch störenden Einflüsse eines geringen Temperaturgradienten radial
zur Phasengrenzfläche zwischen Einkristall und Schmelze werden durch eine rotierende
und eine schwingende Bewegung el längs der Achse des Zuchtkeimes ausgeglichen, wie
es von anderen Einkristallzieheinrichtungen bekannt ist. Während des Ziehvorganges
wird der Tiegel durch die als Kurbel wirkende Hebevorrichtung so unterbrochen angehoben,
daß die Oberfläche der Schmelze von Anfang bis Ende des Einkristallziehprozesses
immer auf gleicher Höhe über dem Ofen bleibt.