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Verfahren zum Ziehen von Einkristallen aus Halbleitermaterial Halbleiterbauelemente
können nur aus einkristallinem Halbleitermaterial hergestellt werden, welches ganz
bestimmte Eigenschaften hat. Die Herstellung solcher Kristalle ist verhältnismäßig
kompliziert und die Art der Herstellung teilweise vom verwendeten Halbleitermaterial
abhängig.
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Man kann bei der Herstellung geeigneter Kristalle drei Arbeitsgänge
unterscheiden: die physikalische Reinigung des chemisch hergestellten Ausgangsmaterials,
die Dotierung und das Herstellen des Einkristalls im Hochvakuum.
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Es ist bekannt, je nach Art des Halbleitermaterials bei der Durchführung
der drei Arbeitsgänge unterschiedliche Wege einzuschlagen. Entweder wird, insbesondere
bei Germanium, das bekannte Czochralski-Verfahren angewendet, bei dem das vorher
physikalisch gereinigte Halbleitermaterial zwecks Dotierung und Einkristallzüchtung
in einem meist durch eine gekühlte Induktionsspule beheizten Tiegel aufgeschmolzen
wird. Oder man bedient sich, z. B. bei Silicium, des bekannten tiegellosen Zonenschmelzens.
Bei diesem Verfahren wird zunächst zum Zweck der Reinigung ein an beiden Enden gehalteter
Stab aus halbleitendem Material mehrfach durch eine Hochfrequenzinduktionsspule
geführt, so daß ein Schmelztropfen den Stab jeweils in einer Richtung durchwandert.
Dabei tritt infolge des Segrationseffektes ein Transport von Verunreinigungen an
ein Stabende auf. Nach Entfernung der verunreinigten Stabenden wird sodann in derselben
Apparatur, gegebenenfalls in Verbindung mit einer Dotierung, mittels eines angesetzten
Impfkristalls in einem Zonendurchgang der Einkristall hergestellt.
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Wird das gereinigte Halbleitermaterial in einem Tiegel aufgeschmolzen,
dann gelangen aber wieder Verunreinigungen, insbesondere aus der Tiegelwand, in
die Schmelze. Dies ist dann der Fall, wenn der Schmelzpunkt des Halbleitermaterials
hoch ist und eine große chemische Affinität vorliegt. Das trifft nun besonders für
Silicium zu. Bei der Einkristallzüchtung durch ziegelfreies Zonenschmelzen tritt
dieser Nachteil nicht auf.
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Auch hinsichtlich der Qualität des hergestellten Einkristalls bestehen
bei beiden Verfahren wesentliche Unterschiede.
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Bei der Einkristallzüchtung nach dem Zonenschmelzverfahren wird der
Vorteil der Tiegelfreiheit mit dem Nachteil einer relativ hohen Versetzungsfehlordnung
im Einkristall erkauft. Das hängt mit ungünstigen thermischen Verhältnissen zusammen,
die bei diesem Verfahren an der Phasengrenzfläche gegeben sind. Die hohe Versetzungsdichte
stellt die Verwendung eines solchen Kristalls für bestimmte Bauelementetypen in
Frage. Demgegenüber erbringt die Einkristallzüchtung aus dem Schmelztiegel nach
dem Czochralski Verfahren, welches jedoch bei Materialien mit hohem Schmelzpunkt,
also beispielsweise bei Silicium, aus den bereits genannten Gründen nicht verwendbar
ist, Einkristalle mit geringer Versetzungsdichte. Dies ist auf günstige thermische
Verhältnisse an der Phasengrenzfiäche zurückzuführen.
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Für die beiden hauptsächlichen Arbeitsgänge eines kombinierten Reinigungs-
und Einkristallziehverfahrens ist es daher in gleichem Maße wünschenswert, nicht
nur einen kleinen Teil, wie das bei dem Schmelztropfen des Zonenschmelzens der Fall
ist, sondern das gesamte eingesetzte Halbleitermaterial tiegelfrei geschmolzen zu
haben und aus einer gereinigten Schmelze, ohne die Gefahr des erneuten Eindringens
von Verunreinigungen, den Einkristall herzustellen unter für eine geringe Versetzungsfehlordnung
günstigen thermischen Bedingungen an der Phasengrenzfläche.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Ziehen von Einkristallen
aus Halbleitermaterial im Hochvakuum aus einer im Feld einer gekühlten Hochfrequenzinduktionsspule
befindlichen Schmelze des Halbleitermaterials mittels eines in die Schmelze getauchten
und nach oben gezogenen Impfkristalls dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß durch
allmähliches Einführen und schließlich vollständiges Aufschmelzen eines Stabes aus
dem Halbleitermaterial in dem Feld einer gekühlten Hochfrequenzinduktionsspule die
Schmelze ziegellos erzeugt und in an sichbekannterWeise durch die Stützwirkung derInduktionsspule
in der Schwebe gehalten wird, und zwar so lange, bis Verunreinigungen verdampft
sind, worauf aus der so gehaltenen Schmelze der Einkristall gezogen wird.
Halbleitermaterial,
welches bei Raumtemperatur eine so geringe Leitfähigkeit aufweist, daß der Schmelzeffekt
in dem hochfrequenten Magnetfeld noch nicht in Gang kommt, muß bis auf etwa 300°
C vorgewärmt werden. Bei ausreichender Leitfähigkeit des Halbleitermaterials ist
eine Einrichtung zu dessen Vorwärmung nicht erforderlich.
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Die Arbeitsgänge Reinigen, Dotieren und Einkristallziehen werden unmittelbar
hintereinander in demselben Vakuum- durchgeführt. Der mit dem Zonenschmelzverfahren
verbundene Mangel der Beschränkung auf relativ kleine Durchmesser der Einkristalle
entfällt ebenso wie das beim Zonenreinigen unvermeidbare Auftreten verunreinigter
Rückstände und der Verlust verunreinigter Stabenden. Die Reinigung erfolgt ausschließlich
durch Verdampfen der Verunreinigungen, wobei die gesamte Schmelze bei guter Durchmischung
diesem Prozeß unterworfen ist. Der reinigende Verdampfungseffekt kann sich weiterhin
voll auswirken durch die Möglichkeit, das Halbleitermaterial während der Reinigung
einer Temperatur auszusetzen, welche - im Gegensatz zu dem Zonenschmelzverfahren
- wesentlich über der Schmelztemperatur liegt.
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Für das Gelingen des Schwebevorganges ist Voraussetzung, daß das zu
schmelzende Material dem hochfrequenten Feld genügend Leistung entnimmt (d. h.,
daß die Wirbelstromdichte groß genug ist), damit ausreichend große Kraftwirkungen
entstehen, um eine nennenswerte Materialmenge in der Schwebe zu halten. Voraussetzung
dafür ist weiterhin eine genügend große Leitfähigkeit des schwebenden Stoffes. Im
Gegensatz zu elektrisch leitenden Metallen besitzen Halbleiter eine um mehrere Zehnerpotenzen
geringere spezifische Leitfähigkeit. Man ist daher versucht anzunehmen, daß sich
das Schwebeverfahren auf Halbleitermaterialien nicht übertragen läßt. Im vorliegenden
Fall handelt es sich jedoch um Halbleiter im geschmolzenen Zustand, die wegen des
negativen Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes bei Schmelztemperatur
eine Leitfähigkeit haben, welche derjenigen der Metalle nahekommt. So besitzt z.
B. reines Silicium bei 300° K einen spezifischen Widerstand von 2,5 - 105 Ohm -
cm, bei 1700° K einen solchen von etwa 2 - 10-3 Ohm # cm, d. h. eine um acht Zehnerpotenzen
größere Leitfähigkeit. Das Schwebeprinzip läßt sich also bei Halbleitern ebenso
verwirklichen wie bei Metallen.
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Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthalten
in einem gegebenenfalls gekühlten Hochvakuumgefäß aus Metall oder Quarzglas als
wesentlichen Bestandteil einen aus gekühlten Induktionsspulenwindungen gebildeten
Spulenkorb sowie durch die Wandung des Hochvakuumgefäßes vakuumdicht durchgeführteEinrichtungenzum
Einführen des Dotierungsmaterials, zur Beschickung des Spulenkorbes mit dem zu schmelzenden
Ausgangsmaterial und zum Einführen und Zurückziehen des Impfkeimes. Die beiden zuletzt
genannten Einrichtungen können aus einer einzigen, beiden Zwecken dienenden bestehen,
welche den am Impfkristall hängend angeschmolzenen Halbleiterstab in den Spulenkorb
hineinsenkt und den Einkristall aus diesem herauszieht. Es können aber auch zwei
unabhängig voneinander bewegbare, durch die Wand des Hochvakuumgefäßes durchgeführte
Gestänge vorgesehen sein, von denen das obere lediglich der Abundaufbewegung des
Impfkeimes dient, während das unterhalb des Spulenkorbes in das Hochvakuumgefäß
durchgeführte Gestänge das halbleitende Grundmaterial in der Form eines Halbleiterstabes
trägt. Das obere Gestängeende kann auch mit einem Kolben versehen sein, welcher
das in einen gekühlten Zylinder eingefüllte stück- oder pulverförmige Halbleitermaterial
nach oben in den Spulenkorb hineinbefördert. In beiden Fällen müssen die Spulenwindungen
eine ausreichend große Öffnung im Boden des Spulenkorbes frei lassen.
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Um die Schmelz- und Schwebewirkung des Spulenkorbes besser abstimmen
zu können, kann es zweckmäßig sein, entweder eine einzige Spule über geeignete Entkopplungsglieder
mit zwei unabhängig voneinander regelbaren Wechselspannungen verschiedener Frequenz
zu speisen oder zwei mit verschiedenen Frequenzen gespeiste und mit ihren Windungen
ineinandergreifende oder räumlich getrennte Induktionsspulen vorzusehen. Zusätzlich
hierzu oder auch für sich allein läßt sich die Schwebewirkung noch dadurch beeinflussen,
daß eine oder mehrere der obersten, den Spulenkorb bildenden Windungen einen gegenläufigen
Windungssinn haben.
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In den Zeichnungen sind einige Ausführungsformen von Vorrichtungen
zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise schematisch dargestellt,
und zwar zeigt F i g.1 eine Vorrichtung mit unten geschlossenem Spulenkorb, F i
g. 2 dieselbe Vorrichtung in der Stellung vor Beginn des Einkristallziehens, F i
g. 3 eine Vorrichtung mit am Boden offenem Spulenkorb und unterer Beschickung durch
einen Halbleiterstab, F i g. 4 eine Vorrichtung mit einem Spulenkorb entsprechend
F i g. 3 und unteren Beschickung mit stückigem oder pulverförmigem Halbleitermaterial
und F i g. 5 eine Vorrichtung in der Stellung der F i g. 2 mit einem aus zwei Hochfrequenzspulen
gebildeten Spulenkorb.
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Bei der Darstellung der Vorrichtung wurde auf die Abbildung des an
sich bekannten und gegebenenfalls gekühlten Hochvakuumgefäßes aus Metall oder Quarzglas
mit den oberen bzw. oberen und unteren vakuumdichten Durchführungen verzichtet.
Aus Gründen der Vereinfachung wurde weiterhin darstellungsmäßig nicht zum Ausdruck
gebracht, daß die obersten Spulenwindungen - wie bereits erwähnt - einen umgekehrten
Windungssinn aufweisen können.
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Bei der Vorrichtung gemäß F i g. 1 ist innerhalb des - nicht dargestellten
- Hochvakuumgefäßes eine wassergekühlte Hochfrequenzspule angeordnet, deren Windungen
1 einen Spulenkorb 2 bilden. Die Spulenenden sind durch die Wandung des Hochvakuumgefäßes
hindurchgeführt und sowohl an einen Generator als auch an einen Wasserzu- und -abfluß
angeschlossen. Oberhalb des Spulenkorbes 2 ist ein in an sich bekannter Weise durch
einen mechanischen Antrieb in vertikaler Richtung bewegbares und vakuumdicht durch
die Wand des Hochvakuumgefäßes hindurchgeführtes Gestänge 3 vorgesehen, das
unten eine Klemme 4 trägt. Schließlich mündet über dem Spulenkorb 2 und etwas
außerhalb von dessen Mitte ein Beschickungsröhrchen 5, welches durch die Wand des
Hochvakuumgefäßes hindurchgeführt und außerhalb dessen verschließbar ist.
Das
erfindungsgemäße Verfahren kommt mit der Vorrichtung wie folgt zur Anwendung: Zunächst
wird an der Klemme 4 ein Impfkeim 6 befestigt, an welchem ein Halbleiterstab
7 angeschmolzen ist. Sodann wird das Hochvakuumgefäß evakuiert und der Halbleiterstab
7, nachdem er gegebenenfalls von außerhalb des Hochvakuumgefäßes auf herkömmliche
Weise, z. B. durch Bestrahlen mit Infrarotlicht, auf etwa 300° C erhitzt wurde,
in den Spulenkorb abgesenkt. Sein unteres Ende nimmt aus dem hochfrequenten Magnetfeld
des an den Generator angeschlossenen Spulenkorbes 2 Leistung auf und schmilzt, wobei
der Schmelztropfen 8 frei im Magnetfeld hängt. Durch weiteres Nachschieben
in Richtung des Pfeiles A schmilzt der Halbleiterstab 7 schließlich bis zu dem oben
angeschmolzenen Impfkeim 6
auf, wobei sich der schwebende Schmelztropfen 8
ständig vergrößert. Der Impfkeim 6 wird dann entgegen der Richtung des Pfeiles A
wieder in seine Ausgangsstellung zurückgeführt. Der Schmelztropfen 8 bleibt
nun so lange in der Schwebe, bis - in Abhängigkeit von Temperatur und Vakuum - die
im Halbleiterstab enthalten gewesene Verunreinigungen abgedampft sind und sich an
der Oberfläche der Windungen 1 des Spulenkorbes 2 und an der Innenfläche des Hochvakuumgefäßes,
falls dieses gekühlt wird, niedergeschlagen haben. Danach wird durch das Beschickungsröhrchen
5 das Dotierungsmaterial in die Schmelze eingebracht und anschließend der Impfkeim
6 bei entsprechend herabgesetzter Temperatur in die Schmelze eingetaucht
und in Richtung des Pfeiles B (s. F i g. 2) langsam wieder nach oben bewegt. Dabei
wächst an diesem ein Kristall in der von dem Impfkeim 6 angegebenen Orientierung
an.
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Unter Berücksichtigung der Verdampfungskoeffizienten des Dotierungsmaterials
kann durch eine geeignete Programmsteuerung der Ziehgeschwindigkeit erreicht werden,
daß die Dotierung gleichmäßig über die ganze Stablänge erfolgt. Es besteht weiterhin
die Möglichkeit, durch gezielte Beigabe von Dotierungselementen oder durch Variierung
der Ziehparameter im wachsenden Kristall p-n-Strukturen zu erzeugen. Weitgehende
Versetzungsfreiheit des Kristalls kann man durch Animpfen mit einem dünnen Impfkristall
und anfängliches Dünnziehen erzielen.
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Eine andere Möglichkeit, das Ausgangsmaterial in Form des Halbleiterstabes
7 in den Spulenkorb einzuführen, zeigt F i g. 3. Hier ist an der oberen Klemme
4 des Gestänges 3 lediglich der Impfkeim 6
befestigt, während
der Halbleiterstab 7 von einer unterhalb des Spulenkorbes 2 angeordneten
Klemme 9
getragen wird, die auf einem unabhängig vom Gestänge 3 auf
und ab bewegbaren Gestänge 10 sitzt Die unterste Windung des Spulenkorbes
ist so groß gehalten, daß der Halbleiterstab 7 durch sie von unten in den Spulenkorb
2 in Richtung des Pfeiles C eingeführt werden kann. Natürlich besteht auch
die Möglichkeit, den oben dargestellten Ablauf des Verfahrens in einer Vorrichtung
gemäß F i g. 3 in umgekehrter Richtung ablaufen zu lassen, also den Halbleiterstab
von oben einzuführen und den Einkristall nach unten wegzuziehen.
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Die in F i g. 4 dargestellte Vorrichtung hat mit der vorher besprochenen
gemeinsam, daß die Beschikkung von unten erfolgt, jedoch mit der Abweichung, daß
das Halbleitermaterial in stückiger oder pulvriger Form vorliegen kann. Zu diesem
Zweck trägt das untere Gestänge 10 einen Kolben 12, welcher in einem
wassergekühlten Zylinder 13 das vorher eingefüllte Halbleitermaterial
11 in Richtung des Pfeiles C nach oben in den Spulenkorb 2 drückt.
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Die Möglichkeit einer besseren Abstimmung der Schmelz- und Schwebewirkung
bietet die Ausbildung des Spulenkorbes 2 der Vorrichtung der F i g. 5, welche im
übrigen mit der der F i g. 1 und 2 übereinstimmt. Die erwähnte bessere Abstimmung
wird hier erzielt durch die Anordnung von zwei ineinandergreifenden Hochfrequenzspulen,
von denen die Spule 14 mit einer niedrigen Frequenz gespeist wird und bei
vernachlässigbarer Schmelzwirkung die Schwebekraft erzeugt, während die mit Hochfrequenz
gespeiste Spule 15 zum Aufschmelzen des Halbleitermaterials dient bei verschwindend
kleiner Stützkraft. Beide Hochfrequenzspulen können in ihrer Zueinanderordnung auch
so gestaltet sein, daß die die Schwebekraft erzeugende Spule den obersten und untersten
Teil des Spulenkorbes bildet und die der Schmelzwirkung dienende dessen mittleren
Teil.