DE1128413B

DE1128413B - Verfahren zur Herstellung von zersetzungsfreiem einkristallinem Silicium durch tiegelfreies Zonenschmelzen

Info

Publication number: DE1128413B
Application number: DES71415A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Wolfgang Keller; Dr Guenther Ziegler
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1960-11-25
Filing date: 1960-11-25
Publication date: 1962-04-26
Also published as: GB926497A; GB926487A; SE306303B; US3175891A; NL139006B; BE610603A; CH395554A; NL266876A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

KL.12i 38

INTERNAT.KL. C Ol b

S 71415 IVa/12 i

ANMELDETAG: 25. NOVEMBER 1960

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT: 26. A P R I L 1962

Es ist bereits bekannt, mit Hilfe von angesetzten Keimkristallen polykristalline Siliciumstäbe in Einkristalle zu verwandeln, indem man eine Schmelzzone, gegebenenfalls mehrfach, von dem Ende, an dem der Keimkristall angesetzt ist, zu dem anderen Ende des Siliciumstabes wandern läßt. Der Siliciumstab wird hierbei meistens senkrecht stehend in zwei Halterungen eingespannt. Oft wird die eine Halterung während des Zonenschmelzens in Drehung um die Stabachse versetzt, wodurch ein symmetrisches Aufwachsen des erstarrenden Materials gewährleistet wird.

Einkristalle, die in dieser Weise durch tiegelfreies Zonenschmelzen hergestellt werden, zeigen meistens nach zahlreiche Versetzungen, Zwillingsbildung u. dgl. Durch geeignete Ätzung können sie sichtbar gemacht werden und erscheinen als sogenannte Ätzgrübchen auf der Oberfläche des angeschliffenen und blankgeätzten Kristalls. Da diese Versetzungen schädlich sind, — sie setzen beispielsweise die Lebensdauer der Minoritätsträger im Silicium in unerwünschter Weise herab und führen bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen nach dem Legierungsverfahren zu einem ungleichmäßigen Legierungsangriff zu Beginn des Verfahrens —, sucht man sie zu vermindern.

Es wurde bereits der Vorschlag gemacht (deutsche Auslegeschrift 1094 710), beim tiegelfreien Zonenschmelzen einen Keimkristall mit einem wesentlich geringeren Querschnitt als der Halbleiterstab anzuschmelzen. Hierdurch läßt sich erreichen, daß der axiale Temperaturgradient von dem Halbleiterstab zum Keimkristall wesentlich flacher verläuft, was zu einer Verminderung der Versetzungen führt, und daß merklich weniger Versetzungen aus dem Keimkristall in den Halbleiterstab hineinwachsen.

Weiter wurde bereits vorgeschlagen (deutsche Auslegeschrift 1079 593), beim tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterial mit mehrfachem Durchlauf der Schmelzzone vor dem letzten Durchgang der Schmelzzone eine Verengung des Halbleiterstabes in unmittelbarer Nähe der Anschmelzstelle des Keimkristalls vorzunehmen. Auch diese Maßnahmen führen zu einer Verringerung der Versetzungen und damit zu einer Erhöhung der Lebensdauer der Minoritätsträger im Halbleitermaterial. Die Herstellung von völlig versetzungsfreiem Silicium läßt sich allerdings hierdurch nicht erreichen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von versetzungsfreiem einkristallinem Silicium durch tiegelfreies Zonenschmelzen mit mehrfachem Durchlauf der Schmelzzone durch einen senkrecht stehenden, an seinen Enden gehaltenen Siliciumstab, Verfahren zur Herstellung

von zersetzungsfreiem einkristallinem

Silicium durch tiegelfreies Zonenschmelzen

Anmelder:
Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr. rer. nat. Wolfgang Keller, Pretzfeld,

und Dr. Günther Ziegler, Erlangen,

sind als Erfinder genannt worden

an dessen eines Ende ein einkristalliner Keimkristall angesetzt ist. Erfindungsgemäß ist das. Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß ein Keimkristall mit einem wesentlich geringeren Querschnitt als der Siliciumstab angeschmolzen wird, daß alle Durchgänge der Schmelzzone im Keimkristall beginnen und daß bei dem letzten Durchgang der Schmelzzone die Wanderungsgeschwindigkeit der Schmelzzone im Keimkristall zwischen 7 und 15 mm pro Minute gewählt wird, daß der Siliciumquerschnitt an der Übergangsstelle vom Keimkristall zum Siliciumstab durch zeitweiliges Auseinanderbewegen der Stabenden mit einer Geschwindigkeit größer als 25 mm pro Minute eingeschnürt wird, daß von dieser Einschnürungsstelle aus bis zum Erreichen des vollen Querschnittes des Siliciumstabes die Geschwindigkeit der Schmelzzone stetig vermindert wird, und daß schließlich die Schmelzzone durch den Siliciumstab mit einer Geschwindigkeit kleiner als 7 mm pro Minute hindurchgeführt wird.
An Hand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. In der Zeichnung ist ein Siliciumstab 2 dargestellt, in dem sich eine geschmolzene Zone 3 befindet, die durch eine geeignete

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Heizvorrichtung, ζ. B. eine Induktionsspule 4> erzeugt werden kann. Die Induktionsspule 4 wird mit Hochfrequenz von z. B. 4 MHz gespeist und kann zweckmäßigerweise als Flachspule ausgebildet sein. Dies bringt den Vorteil, daß die Schmelzzone besonders kurz gehalten werden kann. Die Induktionsspule 4 kann mit Hilfe einer. Transporteinrichtung, z. B. einer Spindel, die einen Schlitten bewegt, über die gesamte Stablänge geführt werden. ^r - - *

An das untere Ende des Siliciumstabes 2 wird ein Keimkristalls angeschmolzen, der einen wesentlich geringeren Querschnitt als der Siliciumstab 2 hat. Der Siliciumstab 2 kann z.B. einen Durehmesser von 12 mm aufweisen und der Keimkristall 5 einen solchen von 3 bis 5 mm. Sowohl das obere Ende des Siliciumstabes 2 als auch das untere Ende des Keimkristalls 5 sind in Halterungen eingespannt, die in Achsrichtung des Stabes gegeneinander bewegt werden können.

Es sei angenommen, daß der Siliciumstab 2 eine solche Reinheit habe, daß er praktisch nicht leitend ist. Zwecks Erzeugung einer Schmelzzone muß der Stab deshalb zumindest an einer Stelle so weit vorgewärmt werden, daß er geringfügig leitend wird. Die weitere Aufheizung kann dann mit Hilfe der Heizspule durch Hochfrequenz erfolgen. Die Vorwärmung kann vermittels Strahlung durchgeführt werden oder z. B-, in der Weise, daß an der oberen Einspannstelle des Siliciumstabes 2 ein leitfähiger Stoff, z. B. Molybdän, angebracht wird, der dann mit Hilfe der Induktionsspule 4 erwärmt werden kann und das benachbarte Halbleitermaterial durch Wärmeleitung erwärmt. Das gesamte Verfahren wird in einer Hochvakuumkammer wieder unter Schutzgas durchgeführt.

Von der vorgewärmten Stelle her wird eine Glühzone durch den Siliciumstab 2 nach unten bis zur Ansetzstelle des Keimkristalls 5 geführt. Hier wird nun der Siliciumstab aufgeschmolzen und der Keimkristall 5 angeschmolzen. Vorteilhaft wird der Übergang zwischen dem dicken Siliciumstab 2 und dem dünnen Keimkristalls zu einem flachen Konus ausgestaltet.

Nach dem Anschmelzen des Keimkristalls wird die Schmelzzone dann durch den gesamten Siliciumstab bis an dessen oberes Ende geführt, eine Glühzone bis an den Keimkristall geführt und dieses mehrfach wiederholt. Hierbei kann die Geschwindigkeit der Heizspule bei der Aufwärtsbewegung (Schmelzzone) beispielsweise 3 mm pro Minute betragen und bei der Abwärtsbewegung (Glühzone) 200 mm pro Minute.

Bei dem letzten Durchgang der Schmelzzone wird in folgender Weise verfahren. Nachdem die Glühzone am Keimkristall angekommen ist, wird die Spulenbewegung angehalten. Nach dem Entstehen der Schmelzzone wird die Heizspule 4 mit einer Geschwindigkeit größer als 7 mm pro Minute, z. B. 10 mm pro Minute, nach oben geführt. Gleichzeitig werden an der Stelle 6, an der der Keimkristall 5 in den flachen Konus übergeht, die Stabenden mit einer Geschwindigkeit von 25 mm pro Minute oder mehr auseinanderbewegt, bis an dieser Stelle der Durchmesser des Siliciums auf etwa 2 mm verjüngt ist. Danach wird die Bewegung der Stabenden abgeschaltet. Man kann gegebenenfalls einige Millimeter oberhalb der ersten Verjüngung noch eine zweite Verjüngung in der gleichen Weise anbringen.

Nach Beendigung der Bewegung der Stabenden wird die Geschwindigkeit der Heizspule stetig vermindert. Diese stetige Verminderung soll sich etwa über die Länge des Konus erstrecken. Im vollen Querschnitt des Siliciumstabes — im vorliegenden Beispiel also bei 12 mm Durchmesser — wird dann eine Geschwindigkeit der Heizspule von kleiner als 7 mm pro Minute, beispielsweise 4 mm pro Minute, erreicht. Diese Geschwindigkeit wird bis zum oberen Ende des Stabes beibehalten. Falls in bekannter Weise eine der Stabhalterungen, beispielsweise die untere, während des Zonenschmelzen» in Drehung versetzt wird, so muß diese Drehung vibrationsfrei sein. Andernfalls wird sie während dieses letzten Durchganges der Schmelzzone abgeschaltet, um möglicherweise auftretende Erschütterungen auszuschließen. Die nach diesem Verfahren hergestellten Siliciumeinkristalle waren völlig versetzungsfrei.

Eine Deutung der bei dem beschriebenen Verfahren sich ergebenden Verbesserung der Kristallqualität kann in folgenden Überlegungen gefunden werden: Zunächst einmal wachsen aus einem Keimkristall mit geringem Querschnitt wesentlich weniger Versetzungen als aus einem Keimkristall mit stärkerem Querschnitt in den entstehenden Einkristall hinein. Eine weitere Verminderung bringt dann die Querschnittsverringerung bei dem letzten Durchgang der Schmelzzone. Die Verringerung der Versetzungen durch die Verkleinerung der Temperaturgradienten infolge dieser beiden Maßnahmen spielt ebenfalls eine Rolle.

Hinzu kommt, daß die im Keimkristall vorhandenen Versetzungen vermutlich der hohen Wanderungsgeschwindigkeit der Schmelzzone im Keimkristall nicht mehr folgen können und sozusagen »abgehängt« werden. Das Neuentstehen von Versetzungen im dickeren Teil des Siliciumstabes wird dagegen unter anderem durch eine geringere Geschwindigkeit der Bewegung der Schmelzzone verhindert. In diesem Zusammenhang ist die stetige Verminderung der Geschwindigkeit im Ubergangsbereich zwischen den beiden unterschiedlichen Querschnitten sehr wichtig.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Herstellung von versetzungsfreiem einkristallinem Silicium durch tiegelfreies Zonenschmelzen mit mehrfachem Durchlauf dei Schmelzzone durch einen senkrecht stehenden, an seinen Enden gehaltenen Siliciumstab, an dessen eines Ende ein einkristalliner Keimkristall angesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Keimkristall mit einem wesentlich geringeren Querschnitt als der Siliciumstab angeschmolzen wird, daß alle Durchgänge der Schmelzzone im Keimkristall beginnen und daß bei dem letzten Durchgang der Schmelzzone die Wanderungsgeschwindigkeit der Schmelzzone im Keimkristall zwischen 7 und 15 mm pro Minute gewählt wird, daß der Siliciumquerschnitt an der Übergangsstelle vom Keimkristall zum Siliciumstab durch zeitweiliges Auseinanderbewegen der Stabenden mit einer Geschwindigkeit größer als 25 mm pro Minute eingeschnürt wird, daß von dieser Einschnürungsstelle aus bis zum Erreichen des vollen Querschnittes des Siliciumstabes die Geschwindigkeit der Schmelzzone stetig vermindert wird und

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daß schließlich die Schmelzzone durch den einer als Flachspule ausgebildeten Induktions-

Siliciumstab mit einer Geschwindigkeit kleiner spule erzeugt wird.

als 7 mm pro Minute hindurchgezogen wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, daß der Keimkristall an das untere

kennzeichnet, daß die Schmelzzone mit Hufe 5 Ende des Siliciumstabes angeschmolzen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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