DE1256202B

DE1256202B - Verfahren zum Herstellen homogener stabfoermiger Kristalle aus einer Schmelze

Info

Publication number: DE1256202B
Application number: DEN18903A
Authority: DE
Inventors: Johannes Aloysius Mari Dikhoff
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1959-09-18
Filing date: 1960-09-14
Publication date: 1967-12-14
Also published as: NL243511A; US3194691A; GB931992A; NL104644C

Description

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DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

int. ui.:

JtJUl]

Deutsche Kl.: 12 g-17/06

Nummer: 1256 202

Aktenzeichen: N18903IV c/12 g

Anmeldetag: 14. September 1960

Auslegetag: 14. Dezember 1967

Ein stabförmiger Kristall aus halbleitendem Material mit Diamantstruktur soll bei Verwendung in Transistoren, Dioden oder Photozellen hinsichtlich seines spezifischen Widerstandes möglichst homogen sein. Es hat sich herausgestellt, daß bei einem solchen stabförmigen, durch Ziehen aus einer Schmelze oder durch Zonenschmelzen hergestellten Kristall vielfach der spezifische Widerstand in den Querrichtungen nicht homogen ist und daß insbesondere in einem im allgemeinen zentral liegenden, sich in der Längsrichtung des Kristalls erstreckenden Teil der spezifische Widerstand sich erheblich von dem in den angrenzenden Teilen unterscheidet. Infolge dieser Erscheinung, die nachstehend als »Kernbildung« bezeichnet wird, können die spezifischen Widerstände, wenn sie an unterschiedlichen Stellen auf einem Querschnitt des Kristalls gemessen werden, relative Unterschiede von mehr als 30%, sogar von 50% und mehr aufweisen. Unter dem relativen Unterschied zwischen zwei spezifischen Widerständen wird hier das in Prozenten ausgedrückte Verhältnis zwischen der Differenz und der Hälfte der Summe dieser spezifischen Widerstände verstanden. Der Grund dieser Kembildung war nicht bekannt. Es wurde bereits vorgeschlagen, diese Erscheinung dadurch zu verringern, daß der anwachsende Kristall in Drehung und/oder in Schwingung versetzt wurde, aber es hat sich herausgestellt, daß dabei diese Erscheinung nicht ausreichend unterdrückt wird.

Weiter ist bereits vorgeschlagen worden, bei der Herstellung einkristalliner Halbleiterstäbe durch Zonenschmelzen den Keimkristall so anzuschmelzen, daß dessen [lll]-Richtung von der Wachstumsrichtung des Kristalls verschieden ist.

Um nun die Homogenität eines stabförmigen Einkristalle, insbesondere hinsichtlich seines spezifischen Widerstandes, zu steigern und das Auftreten jeder Kernbildung zu verhüten, wird beim Herstellen stabförmiger Kristalle aus einer halbleitendes Material mit Diamantstruktur enthaltenden Schmelze durch Anwachsen eines Einkristalls, dessen [lll]-Richtungen von der Anwachsrichtung des Kristalls verschieden sind, erfindungsgemäß der Keimkristall so orientiert, daß auch die [100]- und [110]-Richtungen, ebenso wie die [111 !-Richtungen um Winkel von wenigstens 5° von der Anwachsrichtung des Kristalls abweichen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Anwachsen eines Keimkristalls durch tiegelfreies Zonenschmelzen,

Fig. 2 die Orientierung des in Fig. 1 dargestellten Kristalls,

Verfahren zum Herstellen homogener
stabförmiger Kristalle aus einer Schmelze

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,

Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. E. Walther, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Johannes Aloysius Maria Dikhoff,

Eindhoven (Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 18. September 1959 (243 511)

Fig. 3 eine Vorrichtung zum Aufziehen eines Kristalls aus einer Schmelze,

Fig. 4 die Orientierung des in Fig. 3 dargestellten Kristalls,

F i g. 5 eine Vorrichtung zum. Zonenschmelzen in einem langgestreckten Tiegel und

F i g. 6 die Orientierung des in F i g. 5 dargestellten Keimkristalls schematisch darstellt.

In F i g. 1 bezeichnet 1 einen Siliciumkeimkristall, der an der Oberseite in einem Halter 2 befestigt ist, der sich mit einer Geschwindigkeit von 100 Umdrehungen in der Minute um seine vertikale Achse X dreht. Ein vertikal gemäß der ΑΓ-Achse angeordneter Siliciumstab 3 ist unten in einem Halter 4 befestigt. Zwischen dem Stab 3 und dem Kristall 1 befindet sich eine Schmelzzone 5, die mittels einer diese Zone symmetrisch umgebenden Hochfrequenzspule 6 erzeugt wird, wobei infolge der hohen Oberflächenspannung das geschmolzene Material nicht herunterfließt. Die Hochfrequenzspule wird mit einer Geschwindigkeit von 1 mm in der Minute in der durch einen Pfeil angegebenen Richtung herabbewegt, wobei der Stab 3 allmählich abschmilzt und der Kristall 1 allmählich in vertikaler Richtung zu einem Stab anwächst. Die Erstarrungsfront 7 zwischen dem anwachsenden Keimkristall 1 und der Schmelzzone 5 hat eine etwas gekrümmte, gegenüber der X-Achse nahezu symmetrische Gestalt. Die Orientierung des Kristalls 1 ist in F i g. 2 mittels eines Würfels 8 dargestellt, dessen

709 708/370

Claims

3 4

Lage derjenigen einer kubischen Elementarzelle des z.B. die in Fig. 4 angegebene Orientierung des Kristalls entspricht. Die [lll]-Richtung ist mit 9 be- Kristalls Anwendung finden kann, die mit Hilfe des zeichnet. Sie schließt einen Winkel von 25° mit der Würfels 26 angegeben ist. Die [lll]-Richtung 27 Anwachsrichtung 10 des Kristalls ein. Die anderen, liegt dabei in der Zeichenebene und schließt einen nicht dargestellten [lll]-Richtungen schließen 5 'Winkel von 15° mit der Anwachsrichtung 28 des größere Winkel mit der Anwachsrichtung ein, wäh- Kristalls ein, während die anderen kristallographirend die [100]-Richtungen (gemäß den Kanten des sehen Hauptrichtungen größere Winkel mit dieser Würfels) und die nicht dargestellten [110]-Richtun- Anwachsrichtung einschließen. Der erhaltene Kristall gen (gemäß den Flächendiagonalen des Würfels) läßt sich wiederum senkrecht zur [lll]-Richtung 27 Winkel von mehr als 5° mit der Anwachsrichtung io in Schnitte unterteilen. Wird in einem solchen einschließen. Hierbei tritt keine Kernbildung im Schnitt der spezifische Widerstand an verschiedentwachsenden Kristall auf. liehen Stellen gemessen, so stellt sich heraus, daß die

Der in dieser Weise erhaltene stabförmige Kristall gemessenen Werte sich zwar manchmal voneinander

läßt sich leicht durch Sägen senkrecht zur [Hl]- unterscheiden, aber die relativen Unterschiede be-

Richtung 9 in Schnitte unterteilen. Wird in einem 15 tragen stets weniger als 10%.

solchen Schnitt der spezifische Widerstand an ver- Fig. 5 zeigt eine ebenfalls nicht beanspruchte

schiedenen Stellen gemessen, so stellt sich heraus, Vorrichtung zum Herstellen stabförmiger Kristalle

daß sich zwar die gemessenen Werte manchmal von- durch Zonenschmelzen, bei der ein Tiegel 30 aus

einander unterscheiden, aber die relativen Unter- Quarz in Form eines langgestreckten Schiffchens

schiede betragen stets weniger als 10%. 20 horizontal in der Längsrichtung gegenüber einer den

F i g. 3 stellt eine hier nicht beanspruchte Vor- Tiegel umgebenden Hochfrequenzspule 31 verschieb-

richtung zum Ziehen von Kristallen aus einer bar ist.

Schmelze dar, bei der 11 ein Tiegel aus Graphit ist, Im Tiegel befindet sich ein Germaniumstab 32. Ein die auf einer Graphitscheibe 12 mit einem Rand 13 Germaniumkeimkristall 33 liegt schräg an der Stirnangeordnet ist, der auf einem Behälter 14 liegt, so 25 wand 34 des Tiegelsso an, daß seine [111 !-Richtung daß sich zwischen dem Tiegel 11 und dem Behälter einen Winkel von 10° mit der Längsrichtung des 14 zwei Hohlräume 15 und 16 ergeben. Der Be- Tiegels 30 einschließt. Die Orientierung des derart halter 14 besteht aus einem Zylinder 17 mit einem angeordneten Keimkristalls ist in Fig. 6 wiederum Kolben 18. Mittels eines engen Kanals 19, der im mit Hilfe eines Würfels 35 angegeben, wobei die Boden des Tiegels 11 und in der oberen Wand des 30 [Hl]-Richtung mit 36 bezeichnet ist.
Behälters 14 angebracht ist und sich durch einen Der Tiegel 30 (Fig. 5) wird jetzt so angeordnet, stabförmigen Zwischenteil 20, der durch eine daß die Hochfrequenzspule 31 die Berührungsstelle Öffnung 21 in der Scheibe 12 hindurchgeführt ist, zwischen dem Stab 32 und dem Keimkristall 33 umerstreckt, ist der Behälter 14 mit dem Innern des gibt, wonach durch Erregung der Spule an dieser Tiegels 11 verbunden. Das Ganze ist durch eine 35 Stelle eine Schmelzzone 37 erzeugt wird. Dann wird Hochfrequenzspule 22 umgeben, so daß es erhitzt der Tiegel mit einer Geschwindigkeit von 2 mm pro werden kann. Durch das Vorhandensein der Graphit- Minute in bezug auf die Spule in der durch einen scheibe 12 mit dem Rand 13 und der Hohlräume 15 Pfeil angegebenen Richtung verschoben, so daß die und 16 kann dem Boden des Tiegels 11 zusätzliche Schmelzzone den Stab 32 in dessen Längsrichtung Wärme zugeführt werden. Der Behälter 14 und der 40 durchläuft, wobei dieser Stab allmählich abschmilzt Kanal 19 sind ganz mit einer Schmelze 23 aus Ger- und zu einem stabförmigen Kristall mit einer Orienmanium gefüllt, die auch den Tiegel 11 bis zu einer tierung nach Fig. 6 wird. Weil die Erhitzung an der Höhe von nur 6 mm, vom Boden des Tiegels ge- Oberseite der Zone 37 (F i g. 5) stärker als an der rechnet, füllt. Ein stabförmig anwachsender Germa- Unterseite ist, ist die Zone an der Oberseite breiter niumkristall 24 mit einem Durchmesser von 2 cm, 45 als an der Unterseite, wodurch die Erstarrungsfront der durch teilweises Anwachsen eines vororientier- 38 gegenüber der Längsachse des anwachsenden ten Keimkristalls erhalten ist, wird mit einer gleich- Teils des Kristalls eine unsymmetrische Gestalt aufmäßigen Geschwindigkeit von 1 mm in der Minute weist und auf ihrer Unterseite nahezu senkrecht zur vertikal aus der Schmelze im Tiegel aufgezogen, Richtung 39 verläuft, in der der Kristall anwächst, während er sich mit einer Geschwindigkeit von 50 aber an der Oberseite stark von dieser Lage ab-50 Umdrehungen in der Minute um seine Γ-Achse weicht. Dadurch, daß die [Hl]-Richtung 36 des dreht, wobei er allmählich weiter anwächst. Dadurch, Keimkristalls in bezug auf die Anwachsrichtung 39 daß der Kolben 18 allmählich gehoben wird, wird (Fig. 6) um einen Winkel von 10° nach unten abder Pegel der Schmelze im Tiegel auf konstanter weicht, verläuft sie nirgendwo senkrecht zur Er-Höhegehalten. 55 starrungsfront 38 (Fig. 5), so daß im wachsenden

Infolge der zusätzlichen Erhitzung des Bodens des Kristall keine Kernbildung auftritt. Es sei hierbei beTiegels und infolge des geringen Abstandes zwischen merkt, daß in diesem Fall die Wahl der Richtung, in der Unterseite des Kristalls 24 und dem Boden er- der die [lll]-Achse 36 um einen verhältnismäßig gibt sich bei der Erstarrungsfront 25 des wachsenden geringen Winkel von der Anwachsrichtung abweicht, Kristalls überall ein praktisch vertikaler Wärme- 60 keine beliebige ist, sondern in unmittelbarem Zutransport, während der Wärmetransport in horizon- sammenhang mit der unsymmetrischen Form der Ertaler Richtung nahezu vernachlässigbar ist. Infolge- starrungsfront steht.

dessen ist die Erstarrungsfront 25 nahezu flach und ■'.-

verläuft überall praktisch senkrecht zur Anwachs- Patentansprüche:

richtung des Kristalls. 65 1. Verfahren zum Herstellen homogener stab-

Um Kernbildung zu verhüten, genügt nunmehr ein förmiger Kristalle aus einer halbleitendes Mateverhältnismäßig kleiner Winkel zwischen einer der rial mit Diamantstruktur enthaltenden Schmelze [lll]-Richtungen und der Anwachsrichtung, so daß durch Anwachsen eines Einkristalls, dessen

[lll]-Richtungen von der Anwachsrichtung des Kristalls verschieden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Keimkristall so orientiert wird, daß auch die [100]- und [110]-Richtungen, ebenso wie die [lll]-Richtungen um Winkel von wenigstens 5° von der Anwachsrichtung des Kristalls abweichen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keimkristall derart orientiert wird, daß der kleinste der Winkel zwischen der Anwachsrichtung und den [lll]-Richtungen des Kristalls mindestens 20° beträgt.
3. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Keimkristall derart orientiert wird, daß der kleinste der Winkel zwischen der Anwachsrichtung und den [lll]-Richtungen des Kristalls höchstens 30° beträgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen