DE1090868B

DE1090868B - Verfahren zum Ziehen von einkristallinen Halbleiterstaeben aus Schmelzen

Info

Publication number: DE1090868B
Application number: DES60264A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Hans Heinrich Kocher
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1958-10-15
Filing date: 1958-10-15
Publication date: 1960-10-13
Also published as: DE1207636B; CH409886A; NL274787A; GB938917A; GB898096A; FR1235174A; FR81564E; CH386702A

Description

Verfahren zum Ziehen von einkristallinen Halbleiterstäben aus Schmelzen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen von im wesentlichen einkristallinen Halbleiterstäben aus der Schmelze, bei dem das aus der Schmelze gezogene Halbleitermaterial in der Nähe der Oberfläche der Schmelze durch einen Gasstrom gekühlt wird.
Das Kristallziehen ist bekannt und verläuft in großen Zügen folgendermaßen: Der Halbleiter wird in einem Tiegel aus Graphit oder Quarz, der durch Hochfrequenz oder Strahlung erhitzt wird, unter Schutzgas oder im Vakuum geschmolzen. Dann taucht man einen orientierten Einkristallkeim in die Schmelze. Nachdem er etwas abgeschmolzen ist, wird die Temperatur erniedrigt, so daß der Kristall wieder zu wachsen beginnt. Gleichzeitig wird er langsam emporgezogen. Der Durchmesser des gezogenen Halbleiterstabes hängt dabei von der Temperatur der Schmelze und der Ziehgeschwindigkeit ab. Zum Ziehen eines Stabes mit gleichbleibendem Durchmesser muß also dafür gesorgt werden, daß diese beiden Größen möglichst konstant gehalten werden. Besonders die genaue Temperaturregelung erfordert dabei bekanntlich einen ziemlich großen apparativen Aufwand.
Durch Änderung der Ziehgeschwindigkeit und/oder der Temperatur der Schmelze, also der Temperatur in der Umgebung der Erstarrungsfront, ist es zwar auch möglich, während des Ziehens den Durchmesser des Halbleiterstabes zu ändern, aber diese Änderung geht nicht trägheitslos vor sich. Außerdem ist eine Änderung der Heiztemperatur nur grob und stufenweise möglich, so daß die Regelung des Durchmessers auch nicht kontinuierlich erfolgen kann. Für vollautomatische Anlagen und dünne Stäbe ist diese Art der Dickenregelung daher ungeeignet.
Es ist weiter ein Verfahren bekannt, bei dem das vom Kristallkeim angehobene, sich verfestigende Material in der Nähe der Oberfläche der Schmelze gekühlt wird und das Kühlgas aus einer ringförmigen Leitung, die mit einer schlitzförmigen öffnung versehen ist, allseitig auf das sich verfestigende Material strömt. Es ist jedoch schwierig, einen Ringschlitz von so gleichbleibender Breite in der Ringleitung anzubringen, daß keine asymmetrische Kühlung und die damit verbundene Störung des Kristallwachstums auftritt, da schon bei einem längs des Ringschlitzes auftretenden Unterschied in der Breite des Schlitzes, der in der Größenordnung von weniger als 1/1o mm liegt, eine asymmetrische Kühlung auftritt, die Störungen im Kristallwachstum zur Folge hat.
Das Verfahren gemäß der Erfindung, bei dem das Kühlgas durch Düsen auf das aus der Schmelze herausgezogene, noch flüssige Material strömt, hat demgegenüber vor allem den Vorteil, daß die Düsen auch in radialer Richtung beweglich sind und somit der Abstand der einzelnen Düsen vom Stabe auch in dieser Richtung beliebig einstellbar ist und nicht nur, wie bei der Verwendung einer Ringleitung, ein Kippen oder Drehen möglich ist. Es ist also sehr einfach, die Düsen um den Halbleiterstab so anzuordnen und auszubilden, daß eine gleichmäßige Kühlung erzielt wird, so daß einwandfreie Einkristalle mit einem gewünschten, gegebenenfalls über die ganze Länge konstanten Durchmesser gezogen werden können.
Eine nähere Erläuterung der Erfindung soll durch die Beschreibung der Figuren gegeben werden.
In Fig. 1 sind wesentliche Teile der Kristallziehapparatur dargestellt. Im Tiegel 4, der aus Graphit oder Quarz besteht, befindet sich geschmolzenes Halbleitermaterial 5, z. B. Germanium. Während des Verfahrens wird in das flüssige und etwas überhitzte Halbleitermaterial ein Keimkristall eingetaucht und in Richtung des Pfeiles 14 emporgezogen. Infolge der durch die Oberflächenspannung bedingten Kapillarkraft wird eine bestimmte, von der Temperatur der Schmelze und der Ziehgeschwindigkeit abhängige Menge flüssigen Halbleitermaterials 6 hochgezogen, das beim Durchwandern der Kristallisationszone 12 erstarrt und neue Mengen des flüssigen Halbleitermaterials nach sich zieht, so daß ein stabförmiger Halbleiterkörper 1 entsteht.
Ist die Temperatur der Schmelze im Vergleich zur Ziehgeschwindigkeit zu hoch, so endet die sich verjüngende flüssige Zone 6 in einer Spitze, ohne daß die Schmelze erschöpft ist. Alle durch diesen Schmelzkegel bestimmten Durchmesser können erzielt werden, wobei der jeweilige Stabdurchmesser durch die Entfernung der Rekristallisationszone 12 von der Oberfläche der Schmelze bestimmt wird.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ergibt sich daraus, daß bei etwa konstanter Ziehgeschwindigkeit und etwa konstanter, der Oberfläche der Schmelze zugeführter Wärmemenge die Lage der Erstarrungszone 12, also der Durchmesser des gezogenen Stabes, durch die in der Umgebung der Erstarrungszone abgeführte Wärmemenge bestimmt wird. Diese Wärmeabfuhr geschieht erfindungsgemäß durch die dicht über der Schmelze angeordneten Düsen (z. B. 2 und 3 in Fig. 1; 7, 8, 9, 10 und 11 in Fig. 2), durch die ein Gasstrom auf die Erstarrungszone hingeführt wird, der das Material abkühlt, so daß es mit einem bestimmten Durchmesser erstarrt. Dieser Durchmesser bleibt während des ganzen Verfahrens erhalten, wenn der Gasstrom nicht geändert wird. Der Stabdurchmesser ist um so größer, je größer die abgeführte Erstarrungswärmeist, und nimmt umgekehrt um so mehr zu, je mehr gekühlt wird.
Da durch die Kühlung hauptsächlich die Erstarrungswärme abgeführt wird, spielen kleine Änderungen der Tiegeltemperatur keine Rolle, d. h., die Temperatur der Schmelze ist nicht besonders kritisch. Allerdings muß sie etwas über der Schmelztemperatur des Halbleiters liegen, da sonst die Erstarrungszone zu nahe an der Oberfläche der Schmelze liegen würde. Sie kann z. B. um 10° C über dem Schmelzpunkt des Halbleitermaterials liegen. Kleine Schwankungen der Temperatur werden durch das erfindungsgemäße Verfahren bedeutungslos.
Erfindungsgemäß sind die Kühlmittel ringförmig und in gleichmäßigem Abstand von der Oberfläche der Schmelze um den Stab angeordnet, und das aus der Schmelze herausgezogene Material wird im wesentlichen gleichmäßig über den Umfang gekühlt. Der Halbleiterstab wird also gemäß der Erfindung durch eine Anzahl ringförmig angeordneter Düsen hindurchgezogen. In Fig. 2 ist als Beispiel eine Aufsicht auf wesentliche Teile der Apparatur dargestellt. 1 ist der Halbleiterstab, z. B. aus Germanium, der z. B. durch fünf gaszuführende Düsen 7, 8, 9, 10 und 11 gekühlt wird.
Die Änderung der durch die Kühlung abgeführten Wärmemenge wird durch Linderung der Menge des kühlenden Gasstromes erzielt. Steigert oder schwächt man also den Gasstrom, so wächst oder fällt der Durchmesser schnell auf einen anderen Wert und ist über ein Nadelventil genau einzuregeln. Die Temperatur des Gasstromes ist nicht kritisch. Sie liegt unter der Zimmertemperatur und beträgt z. B. 10 bis 12° C. In einer besonders günstigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Kühlgas, das durch die Düsen auf die Erstarrungszone strömt, das ohnehin erforderliche Schutzgas.
Die wesentlichen Vorteile des durch die Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens sind, nochmals kurz zusammengefaßt, also folgende: Die Temperatur der Schmelze kann etwa 10° C über dem Schmelzpunkt des Halbleitermaterials liegen. Kleine Schwankungen der Temperatur der Schmelze sind nicht von Bedeutung. Der Durchmesser kann ohne Trägheitserscheinungen, also schlagartig, auf andere Werte gebracht werden. Ein Überschwingen oder Nachwirken tritt nicht auf. Die Änderung des Durchmessers kann beliebig fein und stufenlos erfolgen. Die Ziehgeschwindigkeit ist von untergeordneter Bedeutung.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Ziehen von im wesentlichen einkristallinen Halbleiterstäben aus der Schmelze, bei dem das aus der Schmelze gezogene Halbleitermaterial in der Nähe der Oberfläche der Schmelze durch einen Gasstrom gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlgas durch Düsen auf das aus der Schmelze herausgezogene noch flüssige Material strömt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Stabes durch Regelung bzw. Einstellung der durch die Kühlmittel erzielten Kühlung geregelt, insbesondere konstant gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittel ringförmig und in gleichmäßigem Abstand von der Oberfläche der Schmelze um den Stab angeordnet sind und das aus der Schmelze herausgezogene Material im wesentlichen gleichmäßig über den Umfang kühlen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der durch Kühlung abgeführten Wärmemenge durch Änderung der Menge des kühlenden Gasstromes erzielt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zugleich als Schutzgas wirkender Kühlstrom verwendet wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 292 927.