DE1162329B

DE1162329B - Verfahren zum Herstellen von langgestreckten, insbesondere dendritischen Halbleiterkoerpern und Vorrichtung zur Durchfuehrung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE1162329B
Application number: DES70427A
Authority: DE
Inventors: Dr Werner Spielmann; Dipl-Phys Dr Guenther Ziegler; Dipl-Phys Dr Walter Heywang
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1960-09-20
Filing date: 1960-09-20
Publication date: 1964-02-06
Also published as: US3293001A; CH401919A; GB930432A; CH386395A; GB944192A; NL269311A; DE1202248B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: B Ol d

Deutsche Kl.: 12c-2

Nummer: 1 162 329

Aktenzeichen: S 70427 IV c / 12 c

Anmeldetag: 20. September 1960

Auslegetag: 6. Februar 1964

Es ist bereits bekannt, langgestreckte, insbesondere dendritische Halbleiterkörper aus einer in einem Tiegel gehaltenen, bis unter den Schmelzpunkt unterkühlten, gegebenenfalls dotierten Schmelze zu ziehen. Hierbei wird jedoch das Halbleitermaterial durch die Tiegelwandung verunreinigt, insbesondere dann, wenn es sich um hochschmelzende Halbleiterstoffe, wie Silicium, handelt. Es ist auch schon bekannt, diesen Nachteil dadurch zu vermeiden, daß aus einer tiegellos gehaltenen Schmelze, z. B. aus einer sich am oberen Ende eines dicken Halbleiterstabes befindenden Schmelzkuppe, mittels eines in die Schmelze getauchten Keimlings ein im Vergleich zum Halbleiterstab dünner Einkristall fortlaufend gezogen wird; hierbei kann der Schmelze fortlaufend neues Halbleitermaterial zugeführt werden, indem die der Schmelze benachbarten Teile des Halbleiterstabes geschmolzen werden. Bei diesem bekannten Verfahren wurde aber die Schmelze durchgehend über der Schmelztemperatur des Halbleitermaterials gehalten. Da aber beim dendritischen Ziehen eine Unterkühlung der Schmelze erforderlich ist, war insbesondere bei der vielfach üblichen induktiven Erhitzung und der damit verknüpften Durchwirbelung der Schmelze höchstens ein unregelmäßiges Wachsen von vielen Dendriten zu erwarten.

Eingehende Versuche haben jedoch gezeigt, daß es möglich ist, einwandfreie Dendrite aus einer tiegellosen Schmelze zu ziehen, wenn erfindungsgemäß die mit einer Heizvorrichtung erwärmte Halbleiterschmelze von einem aus dem gleichen Halbleitermaterial bestehenden Träger gehalten und der der Ziehstelle benachbarte Teil der Schmelze unterkühlt wird.

Es wächst dann an dem in den Teil der Schmelze, dessen Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Halbleitermaterials gehalten wird, eintauchenden Keimling infolge der Unterkühlung ein dendritischer Halbleiterkörper an, der aus der Schmelze herausgezogen wird, während gleichzeitig die Temperatur des in der Nähe des Trägers liegenden Teiles der Schmelze über der Schmelztemperatur gehalten wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also innerhalb der Schmelze ein hoher Temperaturgradient erzeugt, indem nur ein Teil der Schmelze über der Schmelztemperatur, ein anderer Teil der Schmelze dagegen auf einer unter der Schmelztemperatur liegenden Temperatur gehalten wird.

Bei der induktiven Erhitzung kann die in dem der Ziehstelle benachbarten Teil der Schmelze erzeugte Wärmemenge durch einen Kurzschlußring klein gehalten werden. Wird statt dessen die Schmelze z. B.

Verfahren zum Herstellen von langgestreckten,
insbesondere dendritischen Halbleiterkörpern
und Vorrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

München 2, Witteisbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dr. Werner Spielmann, Wappingers Falls, N. Y.

(V. St. A.),

Dipl.-Phys. Dr. Günther Ziegler, Erlangen,

Dipl.-Phys. Dr. Walter Heywang, München

durch Wärmestrahlung erhitzt, so empfiehlt es sich, den kühler zu haltenden Teil der Oberfläche der Schmelze gegen das Auftreffen der Wärmestrahlung abzuschirmen. Zusätzlich oder an Stelle dieser Maßnahmen kann auch die Wärmeabgabe an den kühl zu haltenden Oberflächenteilen der Schmelze höher gemacht werden als die Wärmeabgabe an den anderen Teilen der Oberfläche der Schmelze, insbesondere durch einen auf die zu unterkühlenden Oberflächenteile der Schmelze gerichteten Gasstrom.

An Hand der Fig. 1 und 2 wird das Verfahren und die Vorrichtung erläutert.

In der Fig. 1 stellt 1 den aus Halbleitermaterial, vorzugsweise aus Silicium, bestehenden Trägerkörper dar, der z. B. stab- oder scheibenförmig ausgebildet sein kann. Ein Teil des Halbleitermaterials dieses Trägers 1 ist mittels einer Heizvorrichtung geschmolzen. Die so gebildete Schmelze 2 wird von den nicht geschmolzenen Teilen des Halbleiterkörpers 1 gehalten. Als Heizvorrichtung dient die Induktionsspule 4, die längs des Halbleiterkörpers 1 verstellbar ist (s. Pfeil 4')· Ferner ist eine an sich bekannte Stützfeldspule 6 vorgesehen, die ebenso wie die Heizspule 4 längs des Halbleiterkörpers 1 von oben nach unten (s. Pfeil 60 verstellbar angeordnet ist. Sie ist jedoch nicht unbedingt notwendig. Mittels des von ihr erzeugten elektromagnetischen Stützfeldes wird die Schmelze mechanisch gestützt und ein Abtropfen erschwert. Der Halbleiterkörper 1 ist von einem Kühlrohr 7 umgeben, das ebenfalls (s. den

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Pfeil T) relativ zum Träger 1 verstellt werden kann und durch Einstellung seiner Lage das Schmelzen des Materials des Trägers 1 zu regeln gestattet. Oberhalb der Schmelze ist ein Kurzschlußring 5 vorgesehen, der den Halbleiterkörper 3' umgibt, nach oben und unten verstellbar ist (s. Pfeil 5') und bei genügend enger Kopplung mit den oberen Teilen der Schmelze 2' die von der Heizspule 4 erzeugten Induktionsströme in der Umgebung der Eintauchstelle des Halbleiterkörpers 3' in die Schmelze stark schwächt. Die Spulen 4 und 5 müssen, die Spulen 6 und 7 sollen auch relativ zueinander verschiebbar sein. Der dendritisch an den Keimkristall 3 angewachsene Halbleiterteil 3' wird in Pfeilrichtung (s. den Pfeil 3") aus der Schmelze mittels der Transportvorrichtung 8, 9 herausgezogen. Der Schmelze wird fortlaufend neues Halbleitermaterial zugeführt, indem die Heizvorrichtung 4 während des Herausziehens des Körpers 3' aus der Schmelze mit einer solchen Geschwindigkeit nach unten relativ zum Träger 1 verschoben wird, daß das auf diese Weise von dem Körper 1 in die Schmelze eingeschmolzene Material etwa gleich derjenigen Menge des Halbleitermaterials ist, das während seines dendritischen Wachstums aus der Schmelze herausgezogen wird. Zusammen mit der Spule 4 müssen auch die Stützfeldspule 6 und der Kühlring 7 nach unten wandern; auch die Kurzschlußspule 5 wird fortlaufend in etwa konstantem Abstand von der oberen Kuppe der Schmelze 2 gehalten. Auf diese Weise bleiben die Temperaturverhältnisse innerhalb der Schmelze trotz des fortlaufenden Zuwachses neuen Halbleitermaterials durch das Einschmelzen des Körpers 1 und trotz des fortlaufenden Herausziehens des dendritisch an den Körper 3' anwachsenden Materials aus der Schmelze etwa konstant, d. h., die an den festgebliebenen Teilen des Körpers 1 angrenzenden Teile 2" der Schmelze behalten trotz des Wanderns der Schmelze fortlaufend eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur, und die dem Körper 3' benachbarten Teile 2' der Schmelze bleiben unter dieser Schmelztemperatur.

In dem Ausführungsbeispiel ist der Trägerkörper in der Halterung 1' gelagert, die sich auf der Grundplatte 10 der Einrichtung befindet und, wenn gewünscht, in ihr nach oben verstellbar gehaltert ist. Die Wandung 11 des Gefäßes, in dem die beschriebene Einrichtung angeordnet ist, ist oben durch die Deckplatte 12 abgeschlossen. Sie besteht vorteilhaft aus Quarz und wird z. B. durch Berieselung mit Wasser gut gekühlt, um auf diese Weise die zur Unterkühlung der Teile 2' der Schmelze notwendige Wärmeabfuhr zu erleichtern. Das gesamte Gefäß 13 ist mit einem neutralen oder vorzugsweise reduzierenden Gas guter Wärmeleitfähigkeit, insbesondere mit Wasserstoff, gefüllt. Es empfiehlt sich, das Wasserstoffgas H₂ während des Ziehvorganges durch das Gefäß 13 hindurchströmen zu lassen, um auch auf diese Weise die Kühlung der Schmelze 2 so einzuregulieren, daß die geschilderte Temperaturverteilung in der Schmelze aufrechterhalten wird. Hierzu läßt man das Gas in das Gefäß 13 verhältnismäßig kühl, z. B. etwa nur mit Zimmertemperatur einströmen und stellt seine Strömungsgeschwindigkeit auf den gewünschten Wert ein. Die Ein- und Ausströmöffnungen sind in Fig. 1 mit 15 und 14 bezeichnet. Die Deckplatte 12 besitzt ferner eine öffnung 12' für den Keimkristall 3 bzw. den an den Keimkristall 3 angewachsenen dendritischen Halbleiterkörper 3'. Da der Querschnitt dieses dendritisch gewachsenen Halbleiterkörpers 3' vorzugsweise wesentlich kleiner ist als der Querschnitt des Halbleiterkörpers 1, kann auf diese Weise ein sehr langes Halbleiterband 3' aus dem relativ kurzen Gefäß 13 herausgezogen werden. Ein genügend dünn hergestellter Halbleiterkörper 3' kann außerhalb des Gefäßes 13 auf einer Vorratsrolle aufgewickelt werden.

Statt der Verwendung einer Stützfeldspule 6 und eines zusätzlichen Kühlrohres 7 kann das vorzugsweise durch Wasser gekühlte Rohr 7 zugleich als Stützspule dienen, indem es von einem Wechselstrom geeigneter Frequenz zur Stützung der Schmelze durchflossen wird. Diese Ausführungsform ist in Fig. 2 dargestellt. Hier ist die mit 6, 7 bezeichnete Spule so stark gekühlt, wie es zur Kühlung des Trägers 1 erforderlich ist; sie wird zugleich von dem Stützfeldwechselstrom durchflossen. In Fig. 2 ist ferner der Zeitpunkt dargestellt, bei dem noch kein Material am eingetauchten Keimkristall 3 angewachsen ist. Die vorzugsweise ebenfalls als wassergekühltes Rohr 16 ausgebildete Kurzschlußspule 5 befindet sich auch noch verhältnismäßig weit von der oberen Kuppe der Schmelze 2 entfernt, da zu Beginn des Verfahrens der Keimling 3 zunächst in eine durchgehend bis über die Schmelztemperatur erhitzte Schmelze eintauchen soll. Durch Annäherung der Spule 5 entsprechend dem Pfeil 5" an die Kuppe der mittels der Induktionsspule 4 erhitzten Schmelze 2 wird dann die Temperatur des an den Keimling 3 angrenzenden Schmelzteiles 2 bis unter die Schmelztemperatur des Halbleitermaterials verringert. Sobald die Temperatur genügend tief abgesenkt ist, beginnt das dendritische Anwachsen des Halbleitermaterials aus der Schmelze an den Keimling 3, der nunmehr entsprechend der Geschwindigkeit des Wachstums aus der Schmelze herausgezogen wird.

Es kommt dann darauf an, die Temperatur der Schmelzteile 2' und 2" fortlaufend unterhalb bzw. oberhalb der Schmelztemperatur des Halbleitermaterials zu halten und gleichzeitig die Ziehgeschwindigkeit und die Wanderungsgeschwindigkeit der Heizspule 4 und der anderen Spulen 5, 6, 7 relativ zum Körper 1 entsprechend den Temperaturverhältnissen in der Schmelze 2 zu steuern. Als Keimling 3 empfiehlt sich die Verwendung eines Einkristalls, dessen (lll)-Achse parallel zur Oberfläche der Schmelze an seiner Eintauchstelle liegt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von langgestreckten, insbesondere dendritischen Halbleiterkörpern durch Ziehen aus einer bis unter den Schmelzpunkt unterkühlten, gegebenenfalls dotierten Schmelze, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einer Heizvorrichtung erwärmte Halbleiterschmelze (2) von einem aus dem gleichen Halbleitermaterial bestehenden Träger (1) gehalten und der der Ziehstelle benachbarte Teil (2') der Schmelze (2) unterkühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze (2) induktiv erhitzt und die in dem der Ziehstelle benachbarten Teil der Schmelze erzeugte Wärmemenge durch einen Kurzschlußring (5) klein gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der der Ziehstelle benachbarte

Teil der Schmelze mittels eines darauf gerichteten Gasstromes gekühlt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) gekühlt wird (Kühlring 7).

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bestehend aus einer Halterung für den Dendriten und den Träger und einer Heizung, dadurch gekennzeichnet, daß Kühleinrichtungen (16 und 7) angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Österreichische Patentschrift Nr. 194444; britische Patentschrift Nr. 706 849; Holleman-Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie, 1960, S. 458.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen