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Verfahren zur Herstellung eines gleichmäßig dotierten Stabes aus Halbleitermaterial
durch tiegelfreies Zonenschmelzen Halbleiteranordnungen, wie Gleichrichter, Transistoren,
Fotodioden und dergleichen, werden bereits in großem Maße in der Elektrotechnik
angewendet. Für ihre Herstellung werden größere Mengen von Halbleitermaterialien,
wie Germanium, Silizium oder intermetallische Verbindungen von Elementen der III.
und V. Gruppe des Periodischen Systems benötigt. Es sind bereits verschiedene Verfahren
zu ihrer Gewinnung und Reinigung bzw. anderweitigen Weiterverarbeitung bekannt geworden.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vergleichmäßigung
oder anderweitigen Beeinflussung der Dotierungskonzentration eines Stabes aus Halbleitermaterial
durch tiegelfreies vertikales Zonenschmelzen, bei dem die Schmelzzone durch den
Halbleiterstab mehrfach in beiden Richtungen der Länge nach hindurchgeführt wird.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise das unter dem Namen Vorwärts-Rückwärts-Zonenschmelzen
oder Zonenschmelznivellieren (Zone-Levelling) bekannte Verfahren, bei dem die Dotierungskonzentration
in einem in einem waagerechten Tiegel angeordneten Stabe aus Halbleitermaterial
sowohl über die Länge als auch über den Querschnitt vergleichmäßigt wird.
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Es ist weiter bekannt, daß beim tiegelfreien vertikalen Zonenschmelzen
die Wanderungsrichtung der Schmelzzone von unten nach oben zu bevorzugen ist, da
in dieser Richtung die Schmelzzone mechanisch besonders stabil ist.
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Bei diesen Arbeiten treten gewisse Schwierigkeiten auf. Die Schmelzbedingungen
beim Aufwärtsbewegen der Schmelzzone sind verschieden von denen beim Abwärtsbewegen.
Infolge der Schwerkraft bildet sich im unteren Teil der Schmelzzone eine Ausbauchung
aus. Bei der Abwärtsbewegung der Schmelzzone zeigt sie gegenüber der Aufwärtsbewegung
eine wesentlich geringere Ausdehnung in der Längsrichtung des Stabes, wenn hierbei
die gleiche Stablänge und Stabdicke erreicht werden soll. Man muß dann nämlich die
Heizleistung bei der Abwärtsbewegung vermindern.
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Dies kann bei dem erwähnten Zonenschmelznivellieren zu einer Verringerung
des erstrebten Effektes, also zu einer verbleibenden Ungleichmäßigkeit des Dotierungsgehaltes
führen. Außerdem lassen sich die Schmelzbedingungen beim Abwärtsbewegen der Schmelzzone
schwieriger beherrschen, weshalb bei abwechselnder Aufwärts- und Abwärtswanderung
der Schmelzzone an die Aufmerksamkeit des mit der Arbeit Betrauten erhöhte Ansprüche
gestellt werden müssen.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vergleichmäßigung
oder anderweitigen Beeinflussung der Dotierungskonzentration eines vertikal gehalterten
Stabes aus Halbleitermaterial durch tiegelfreies Zonenschmelzen; bei dem die Schmelzzone
durch den Halbleiterstab mehrfach in beiden vertikalen Richtungen hindurchgeführt
wird. Erfindungsgemäß wird die Richtungsumkehr durch Umkehren des .Stabes herbeigeführt
und in an sich bekannter Weise für sämtliche Zonendurchgänge relativ zur Schwerkraft
ein und dieselbe vertikale Richtung, vorzugsweise von unten nach oben, beibehalten.
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Eine besonders vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens sieht vor; daß
der Stab nur einmal und zwar nach mehreren Durchgängen in einer Richtung umgedreht
wird und hinterher etwa die gleiche Anzahl Zonendurchgänge wie vorher vollzogen
werden. Hierdurch läßt sich eine wesentliche Arbeitsersparnis erreichen.
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Im besonderen bezieht sich die Erfindung auf die Durchführung des
Verfahrens mit selbsttätiger Steuerung des Zonendurchlaufes durch den Halbleiterstab.
Hierbei bringen die erfindungsgemäßen Maßnahmen besondere Vorteile, weil das Steuerungsprogramm
nur für eine einzige Bewegungsrichtung, insbesondere für das leichter zu beherrschende
Aufwärtsbewegen der Schmelzzone, ausgelegt zu werden braucht.
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Im Nachfolgenden soll als Beispiel der Vorgang des Zonenschmelznivellierens
näher beschrieben werden: Beim tiegelfreien Zonenschmelzen wandert die Schmelzzone
langsam über die gesamte Stablänge. An der in der Fortbewegungsrichtung liegenden
Seite
der Zone wird dauernd neues Material aufgeschmolzen, während an der gegenüberliegenden
Seite Material aus der Schmelze ausgeschieden wird. Das rekristallisierende Material
weist meistens eine größere Reinheit als die Schmelze auf, da in die Kristallstruktur
nur Fremdatome mit einem Verteilungskoeffizienten < 1 eingebaut werden. So kommt
es, daß die Verunreinigungen in der Schmelzzone dauernd zunehmen, während sie in
dem ausgeschiedenen Material in wesentlich geringerer Konzentration vorhanden sind.
Wegen der dauernden Zunahme in der Zone nimmt allerdings auch die Konzentration
im rekristallisierendem Stab in der Ziehrichtung laufend zu. Läßt man anschließend
die Schmelzzone in umgekehrter Richtung durch den Stab wandern, so tritt der gleiche
Effekt in umgekehrter Richtung auf, und es ergibt sich etwa eine Verteilung der
Fremdstoffe, wie sie vor Beginn des Zonenschmelzvorganges bestand.
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Örtliche Ansammlungen von Fremdstoffen werden hierbei abgebaut, so
daß nach mehrmaligen Hin- und Herwandern der Schmelzzone die Konzentration der Fremdstoffe
über die gesamte Stablänge konstant ist. Dies ist der Vorgang des Zonenschmelznivellierens,
der allerdings bei gewissen Stoffen versagt, die in die Kristallstruktur des Stabes
genau wie der Halbleiterwerkstoff selbst eingebaut werden (gleicher Atomradius,
Verteilungskoeffizient nahezu ---- 1).
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Durch das Hin- und Herwandern der Schmelzzone wird nicht nur eine
gleichmäßige Konzentration der Fremdatome über die Stablänge, sondern auch über
den Stabquerschnitt erreicht. Soll beispielsweise ein Stab aus hochgereinigtem Halbleitermaterial
mit bestimmten Fremdstoffen dotiert werden, so wird man diese in den meisten Fällen
auf die Oberfläche des Stabes aufbringen und diesen dann dem Zonenschmelznivellierverfahren
unterwerfen. Danach ergibt sich eine gleichmäßige Dotierung sowohl über die Stablänge
als auch über den Stabquerschnitt, da bei der meist induktiven Beheizung der Schmelzzone
diese kräftig durchgerührt wird und auch sonst eine rein mechanische Durchmischung
stattfindet, insbesondere wenn der eine Stabteil gegenüber dem anderen um seine
Längsachse gedreht wird, was bekanntlich dazu dient, das rekristallisierende Halbleitermaterial
symmetrisch aufwachsen zu lassen.
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Der Ablauf des Zonenschmelzvorganges läßt sich durch eine selbsttätige
Einrichtung steuern. Derartige Einrichtungen sind auch bereits bekannt geworden.
über entsprechende Organe werden Messungen vorgenommen und dementsprechend der Vorschub
der Heizspule die Heizleistung und die Drehung des Stabes eingeregelt bzw. ein-
und ausgeschaltet. Infolge der in der Einleitung beschriebenen Schwierigkeiten muß
die Steuereinrichtung beim Aufwärtsbewegen der Zone anders reagieren als beim Abwärtsbewegen.
Der Aufwand hierfür wird recht beträchtlich. Man sieht deshalb bei den bisher bekannten
Einrichtungen zum selbsttätigen Steuern des Zonenschmelzvorganges ein solches Steuerungsprogramm
vor, daß nur die leichter zu beherrschende Aufwärtsbewegung zum Zonenschmelzen ausgenutzt
wird und bei der Abwärtsbewegung ein schneller Durchlauf des glühenden Stabes bei
verminderter Heizung erfolgt. Diese geringere Heizleistung dient allein zur Aufrechterhaltung
einer ausreichenden Leitfähigkeit des Halbleitermaterials an der innerhalb der Heizspule
liegenden Stelle des Stabes. Die erfindungsgemäße Ausbildung des Verfahrens schafft
die Möglichkeit, die selbsttätige Steuerung des Zonenschmelzverfahrens auch auf
das Zonenschmelznivellieren und ähnliche Verfahren anzuwenden, ohne den dafür notwendigen
Aufwand zu vergrößern. Es hat sich auch gezeigt, daß es nicht notwendig ist, auf
jeden Durchlauf der Schmelzzone in der einen Richtung gleich einen Durchlauf in
der anderen Richtung folgen zu lassen, um die durch das Anreichern der Schmelzzone
mit Fremdstoffen sich ergebende ansteigende Dotierung des Stabes jeweils wieder
rückgängig zu machen. Wie sich bei der praktischen Durchführung des Verfahrens gezeigt
hat, genügt es durchaus, auf eine bestimmte Zahl von Durchläufen in der einen Richtung
die gleiche Anzahl von Durchläufen in der entgegengesetzten Richtung folgen zu lassen.
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An Hand eines Beispieles soll dieses Verfahren näher erläutert werden.
Nach einem neueren Vorschlag wird mit einem bestimmten Dotierungsstoff in bestimmter
Konzentration versehenes Halbleitermaterial in der Weise hergestellt, daß auf einen
niederohmigen dünn gezogenen Halbleiterstab bekannter Dotierungskonzentration sehr
reines Halbleitermaterial beispielsweise aus der Gasphase niedergeschlagen wird.
Aus dem Verhältnis Querschnitt des fertigen Stabes zu Querschnitt der niederohmigen
»Seele« ergibt sich dann die endgültige Dotierungskonzentration, die man dadurch
auf jeden gewünschten Wert einstellen kann, daß man das niedergeschlagene Material
bis zu einer entsprechenden Dicke aufwachsen läßt. Anschließend wird dann der so
gewonnene Halbleiterstab dem Zonenschmelznivellieren unterworfen, um die zwar über
die Länge des Stabes fast gleichmäßige Dotierungskonzentration auch über den Querschnitt
zu vergleichmäßigen. Hierbei wird gemäß der Erfindung folgendermaßen verfahren.
Ein beispielsweise 20 cm langer Stab wird am Morgen in die Zonenschmelzapparatur
eingespannt, und darauf wird an das untere Ende ein einkristalliner Keimling angeschmolzen.
Nun wird die selbsttätige Steuerung der Zonenschmelzvorrichtung eingeschaltet, die
es dann übernimmt, eine bestimmte Anzahl von Durchläufen der Schmelzzone mit z.
B. 4 mm/min Ziehgeschwindigkeit von unten nach oben durchzuführen, beispielsweise
10. Am Abend kann dann der mit der Arbeit Beauftragte den Halbleiterstab herausnehmen,
umgekehrt einspannen und die Apparatur wiederum einschalten, worauf sich das Spiel
wiederholt, nur daß die Durchlaufrichtung der Schmelzzone relativ zum Halbleiterstab
umgekehrt ist. Nachdem sich die Vorrichtung nach der entsprechenden Anzahl von Durchläufen
selbsttätig abgeschaltet hat, kann am nächsten Morgen der fertige Stab der Apparatur
entnommen werden.