DE1061745B - Verfahren und Vorrichtung zum Ausrichten eines Keimkristalls beim Ziehen von Einkristallen - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zum Ausrichten eines Keimkristalls beim Ziehen von Einkristallen Der Grundkörper für Halbleiteranordnungen, wie Gleichrichter, Transistoren, Fotodioden u. dgl., besteht meistens aus einem im wesentlichen einkristallinen Scheibchen des entsprechenden Halbleitermaterials, z. B. Germanium, Silizium oder einer intermetallischen Verbindung von Elementen der III. und V. Reihe des Periodischen Systems. Für die Herstellung dieser Scheibchen wurden in größerem Maße Einkristalle des entsprechenden Materials benötigt. Diese werden im allgemeinen durch sogenanntes Ziehen gewonnen. Das kann beispielsweise so durchgeführt werden, daß zunächst ein einkristalliner Keimling an das Ende eines polykristallinen Stabes aligeimpft wird. Danach wird dann das polykristalline Gefüge in einer Zone erschinolzen, die man von dem Ende, an dem der Keimling sitzt, zum anderen Ende -des Stabes wandern läßt. Das Wiedererstarren erfolgt dann einkristallin. Um möglichst symmetrische runde Einkristallstäbe zu erhalten, aus denen sich dann leicht die vorerwähnten Scheibchen durch Abschneiden senkrecht zur Stabachse gewinnen lassen, ist ein spezielles Verfahren entwickelt worden, bei dem der-Halbleiterstab senkrecht eingespannt und der bereits einkristalline Teil in Drehbewegung gehalten wird. Hierdurch wird ein annähernd rotationssymmetrisches Wachsen des Einkristallstabes gewährleistet. Entsprechend kann auch beim Ziehen aus der Schmelze verfahren werden.
• Es wurde nun beobachtet, daß die (111)-Flächen bei verschiedenen Halbleitermaterialien die Richtung bevorzugten Kristallwachstums sind. Im Interesse eines möglichst störungsfreien Kristallwachstums wird man also versuchen, die Ziehrichtung des Einkristalles, also die Richtung der Stabachse, mit der (111)-Richtung zusammenfallen zu lassen. Es wurde auch erkannt, daß (111)-Flächen am besten zum Legieren der Dotierungsmetalle der Halbleiteranordnungen geeignet sind. Es ist also auch aus diesem Grunde erwünscht, die Stabachse mit der (111)-Achse des Einkristalles zusammenfallen zu lassen, damit die ,Oberflächen der von dem Stab abgeschnittenen Halbleiterscheibchen (111)-Orientierung zeigen. In anderen Fällen erscheint es auch wünschenswert, eine andere Orientierung des Kristallwachstums einzustellen. Es mußte also ein Verfahren entwickelt werden, nach dem der Keimling beim Ziehen von Einkristallen ausgerichtet werden kann, um die Orientierung der Einkristalle vom Zufall unabhängig zu machen, Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfah ren zum Ausrichten des einkristallinen Keimlings beim Ziehen von Einkristallen, insbesondere von Halbleiterstäben, die zur Herstellung von Halbleiteranordnungen, wie z. B. Gleichrichtern, Transistoren, Fotodioden u. dgl., dienen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein schmales Lichtbündel auf eine etwa senkrecht zur Stabachse des Keimkristalles angeschliffene und orientierend geätzte Stirnfläche desselben geworfen und der Keimkristall vermittels einer mechanischen justiervorrichung so eingestellt wird, daß der reflektierte Lichtstrahl bei Drehung des Keimkristalles um die Drehachse seiner Halterung nicht wandert. Besonders einfach wird die justierung, wenn das Lichtbündel genau in derDrehachse derHalterung verläuft. Zweckmäßigerweise wird zur Anwendung des Verfahrens eine justiervorrichtung verwendet, die aus einer drehbar gelagerten Scheibe mit einem radialen Schlitz besteht, in welchem ein Schlitten verschiebbar und feststellbar gelagert ist und eine in der Schlitzebene schwenkbare Hülse trägt, die vortElhafterweise mit Zentrierscheiben zum Festhalten des Keimkristalls versehen ist und um ihre eigene Achse gedreht werden kann.
• Mit dem Verfahren läßt sich ohne großen Aufwand eine Genauigkeit von 0,2' erzielen. Es hat sich für Stoffe mit Diamantgitter und solche mit Zinkblendegitter bewährt, ist aber allgemein geeignet für kristallines Material, bei dem durch Ätzung spiegelnde Flächen einer bestimmten Orientierung freigelegt werden können.
• An Hand von Beispielen sollen das Verfahren und die Vorrichtung näher erläutert werden. Zum Ziehen eines Silizium-Einkristalls wird ein Keimling benötigt. Ein kleines Stück eines Einkristalls wird zu diesem Zwecke etwa senkrecht zu seiner Achse ab-Cleschliffen und darauf mit einer starken Lauge geätzt, z. B. mit heißer 501/oiger Kalilauge oder Natronlauge. Hierdurch werden spiegelnde (111)-Flächen freigelegt. Diese werden sich im Norrnallfalle, also wenn nicht die Normale auf der S chleiffläche mit der (111) - Richtung zusammenfällt, dachziegelartig überlappen, wie es die Fig. 1 darstellt. Die Normalen auf diesen Flächenelementen liegen in (111) -Richtung und bilden beim Auftreffen eines Lichtstrahles das Einfallslot. Wird nun der Keimling drehbar eingespannt und um seine DrehachseA gedreht, so bildet ein in Richtung der Drehachse A auftreffender Lichtstrahl in der Reflexion einenKegelmantel mit demöffnungswinke14b, wenn ö den Winkel zwischen der Drehachse A und der (111)-Richtung darstellt (s. Fig. 1). Fallen DrehachseA und (111)-Richtung zusammen (b = 0), so entartet der Kegel zu einer Geraden, und der Lichtstrahl fällt in sich selbst zurück. Das schmale Lichtbündel kann zweckmäßigerweise durch eine Lampe 2 mit einer davorgeschalteten Lochblende 3 erzeugt und der reflektierte Lichtstrahl durch eine Fotozelle 4 aufgenommen werden. Der drehbar gelagerte Keimling ist mit 5 bezeichnet.
• Fig. 2 zeigt dasselbe Prinzip, nur daß in diesem Falle der Lichtstrahl nicht parallel der Drehachse des Keimlings auf diesen geworfen wird, sondern etwas von der Seite her. Beim Drehen des Keimlings beschreibt der reflektierte Lichtstrahl wiederum einen Kegelmantel, dessen Rotationsachse aber nun nicht mit der Drehachse A des Keimlings zusammenfällt, sondern mit dieser den gleichen Winkel a einschließt wie der einfallende Lichtstrahl. Fällt bei dieser Anordnung die (111)-Richtung des Keimlings mit seiner Drehachse A zusammen, so entartet wiederum der Kegelmantel zu einer Geraden. Der reflektierte Lichtstrahl fällt jetzt aber nicht in den einfallenden Lichtstrahl zurück, sondern er fällt in die Rotationsachse des Kegels. Ordnet man nun hier eine Fotozelle 4 an, so kann hierdurch ein Nichtwandern des reflektierten Lichtstrahles festgestellt werden. Bei der Anordnung nach Fig. 1 wäre die Anbringung der Fotozelle in der Rotationsachse des Kegelmantels, den der reflektierte Lichtstrahl beschreibt, nicht möglich, weil dadurch der einfallende Lichtstrahl abgedeckt würde. Wie die Praxis gezeigt hat, genügt hier aber meist auch schon die rein optische Beobachtung, z. B. im verdunkelten Raum, um das Ruhen des reflektierten LichtstraUles bei der Drehung des Keimlings festzustellen.
• Zum Ausrichten des Keimlings wird zweckmäßig eine mechanische Justiervorrichtung benutzt, die in Fig. 3 dargestellt ist. Sie besteht aus einer Platte 10, die um die AchseA gedreht werden kann. Diese Platte 10 enthält einen Schlitz 11, in dem ein Schlitten 12 verschiebbar und feststellbar gelagert ist. Dieser trägt in der Schlitzebene schwenkbar eine Hülse 13, die mit Zentrierschrauben 14 versehen sein kann. Vorteilhaft wird die Hülse um die Achse B drehbar gelagert.
• Beim Ausrichten des Keimkristalls für einen Ziehvorgang wird nun zunächst die Platte 10 auf einer Drehvorrichtung befestigt und der Keim 15 in der Hülse 13 zentriert. Dann wird ein enggebündelter Lichtstrahl in der Richtung der Achse A auf das_-geschliffene und geätzte Ende des Keimlings geworfen und die gesamte in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung um die Achse A gedreht. Mit Hilfe der dreh- und schwenkbaren Hülse 13 und des verschiebbaren Schlittens 12 läßt sich der Keimling in eine solche Lage bringen, daß die Normale auf den spiegelnden (111)-Flächen mit der Achse A zusammenfällt und damit der Lichtstrahl in sich selbst zurückfällt. Hierbei muß darauf geachtet werden, daß die geschliffene und geätzte Fläche beim Drehen um die AchseA nicht schlägt. Nun kann die gesamte in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung in die Vorrichtung zum Ziehen des Einkristalls eingesetzt und der polykristalline Halbleiterstab 16 auf die geschliffene Fläche des Keimlings 15 aufgeschmolzen werden. Nach dem sogenannten Ziehen zeigt der Halbleiterstab dann genaue (111)-Orientierung. Normalerweise beträgt die Abweichung der (111)-Richtung des Keimlings von seiner RotationsachseB nur wenige Grad. In Fig.3 wurde der deutlicheren Darstellung halber eine wesentlich stärkere Abweichung angenommen. Mit Hilfe der Vorrichtung ist man aber in der Lage, auch Keimlinge mit solch extrem starken Abweichungen einzujustieren, wie sie die Fig. 3 zeigt (bis etwa 30'). Soll der zu ziehende Einkristall eine von der (111)-Richtung abweichende Orientierung aufweisen, so kann diese nach der Feststellung der (111)-Richtung des Keimlings mit Hilfe der schwenkbaren Hülse 13 leicht eingestellt werden.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Ausrichten des einkristallinen Keimlings beim Ziehen von Einkristallen, insbesondere von Halbleiterstäben, die zum Herstellen von Halbleiteranordnungen, wie Gleichrichtern, Transistoren oder Fotodioden, dienen, dadurch gekennzeichnet, daß ein schmales Lichtbündel auf eine etwa senkrecht zur Stabachse des Keimkristalls angeschliffene und orientierend geätzte Stirnfläche geworfen und der Keimkristall mittels einer mechanischen Justiervorrichtung so eingestellt wird, daß der reflektierte Lichtstrahl bei Drehung des Keimkristalls um die Drehachse seiner Halterung nicht wandert.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein in der Drehachse der Halterung verlaufendes Lichtbündel angewendet wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur orientierenden Ätzung der Stirnfläche des Keimlings heiße Kalilauge oder Natronlauge verwandt wird. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Justiervorrichtung aus einer drehbar gelagerten Scheibe (10) mit einem radialen Schlitz (11) besteht, in welchem ein Schlitten (12) verschiebbar und feststellbar gelagert ist, der eine in der Schlitzebene schwenkbare Halterung (13) für den Keimkristall trägt. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung aus einer mit Zentrierschrauben (14) versehenen Hülse besteht. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung um ihre eigene Achse drehbar geführt ist.