DE1294931B - Verfahren zum Herstellen eines homogenen, rissfreien Koerpers aus einer Halbleiterlegierung - Google Patents

Description

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Es bereitet Schwierigkeiten, einen Halbleiterkörper Entstehung der Senke bedeutet, daß die Dichte des aus einem Material mit negativem Ausdehnungs- geschmolzenen Materials unterhalb der Senke bekoeffizienten, beispielsweise aus einer Germanium- zogen auf den Querschnitt des Schmelzrohres nicht Silicium-Legierung, die sich also während des konstant ist. Es wird vielmehr die Dichte des ge-Erstarrens ausdehnt, homogen und rißfrei zu 5 schmolzenen Materials wegen der angreifenden Zenerschmelzen. trifugalkraft im Bereich der Rohrwandung größer

Wird eine solche Halbleiterlegierung in einem sein als im Bereich der Längsachse des Schmelz-Schmelzrohr ohne besondere Vorkehrungen er- rohres. Da die Rotation während des Erkaltens der schmolzen, so werden, ausgelöst durch die Aus- Schmelze unverändert fortgesetzt wird, dehnt sich dehnung, beim Erkalten an der Rohrwandung und io die erschmolzene Legierung während des Erkaltens im Inneren des erschmolzenen Körpers Kraftkompo- in diese Zone geringerer Dichte hinein aus. Eine nenten auftreten, die zur Rißbildung führen. Bekannt Rißbildung, die sonst durch die von der Rohrwanist es, derartige Legierungen nach dem waagerechten dung beim Erkalten ausgeübten Kräfte unvermeidbar »Zone-Leveling-Verfahren« unter Argonspülung her- ist, wird dadurch vermieden,
zustellen, dem jedoch der schwerwiegende Nachteil 15 Vorzugsweise werden die leichter flüchtigen Komder partiellen Entmischung der Legierungskompo- ponenten der Halbleiterlegierung zuerst in das nenten anhaftet. Unter dem Begriff »Zone-Leveling- Schmelzrohr eingebracht. Damit hat das erfindungs-Verfahren« wird ein Zonenschmelzverfahren ver- gemäße Verfahren besondere Vorteile für die Herstanden, bei dem eine schmale Schmelzzone ab- Stellung dotierten Halbleitermaterials, wenn der wechselnd in der einen und der anderen Richtung 20 Dotierstoff aus einer leicht flüchtigen Komponente durch den Halbleiterblock gezogen wird. Aus dem besteht. Bei dem »Zone-Leveling-Verfahren« und Zustandsdiagramm von Germanium-Silicium ist er- dem Ziehen eines Halbleiterstabes aus einer Schmelze sichtlich, daß bei einfachem Erstarren der Schmelze dampft während des langen Herstellungsprozesses eine Entmischung der Legierungskomponenten ein- aus der relativ großen Oberfläche der Schmelze ein tritt. Der Entmischungseffekt läßt sich verringern 25 großer Anteil an Dotiermaterial ab. Es ist so nur durch Diffusionsvorgänge an der Grenze zwischen schwer möglich, genau dotiertes Material und eine dem festen und dem flüssigen Material. Da nun homogene Verteilung der Dotierung zu erhalten. Bei der Diffusionskoeffizient von Silicium im Germa- dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren sind nium-Silicium-Mischkristall sehr gering ist, muß, dagegen die Verluste an leicht flüchtigem Dotierdamit dieser Effekt spürbar zum Tragen kommt, die 30 material wegen der Kürze der Verfahrenszeit und Wanderungsgeschwindigkeit der Schmelzzone hin- der im Verhältnis zur erschmolzenen Materialmenge reichend klein sein. Eine gute Homogenität erreicht sehr kleinen Oberfläche äußerst gering,
man bei dem bekannten Verfahren erst bei Wan- Zur Erzielung einer p-leitenden Germanium-Sili-

derungsgeschwindigkeiten von 3 bis 5 mm pro Stunde cium-Legierung wird das Grundmaterial vorzugs- und 3 bis 5 Zonendurchgängen. Zur Herstellung 35 weise mit Elementen der III. Hauptgruppe des eines Körpers von beispielsweise 70 mm Länge be- Periodensystems, z. B. mit Bor, Gallium oder Indium nötigt man also mit dem bekannten Verfahren eine dotiert. Eine «-leitende Germanium-Silicium-Legie-Zeit von etwa 70 Stunden. Außerdem treten bei die- rung wird vorzugsweise durch Dotieren mit Elemensem Herstellungsverfahren Risse im Halbleiterkörper ten der V. Hauptgruppe des Periodensystems, z. B. auf, so daß ein beträchtlicher Teil des Halbleiter- 40 Phosphor, Arsen oder Antimon, gewonnen. Dabei körpers nicht verwendbar ist. wird jeder einzelne Schleuderguß durch Einwaage

Bekannt ist es weiterhin, eine Halbleiterlegierung der entsprechenden Menge Ausgangsmaterial vorbemit negativem Ausdehnungskoeffizienten aus einer reitet, wobei wegen der niedrigen Schmelzpunkte Schmelze zu ziehen und während des Ziehvorganges der Dotierungsstoffe für Material vom «-leitenden die Schmelze und den Halbleiterstab in Rotation zu 45 Typ diese am Boden des Quarzrohres angeordnet halten. Durch die Rotation wird eine Homogenisie- werden. Beim Aufschmelzen der Legierung wird rung der Schmelze und eine gleichförmige Wärme- so der Dotierstoff am Entweichen durch Verdampfen Verteilung in der Schmelzzone erhalten, die unab- gehindert.

hängig von der geometrischen Form und der räum- Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verliehen Anordnung einer zur induktiven Erhitzung 50 fahrens bestehen darin, daß die Halbleiterkörper in benötigten Hochfrequenzspule ist. Das Problem, Riß- einer für die Weiterverarbeitung günstigen zylindribildung im Halbleiterkörper zu vermeiden, wird sehen Form anfallen, so daß nur ein kleines Kopfdabei nicht gelöst. und Fußstück des Schmelzlings als Ausschuß abge-

Demgegenüber werden bei einem Verfahren zum trennt werden muß und schließlich, da das Ver-Herstellen eines Körpers aus einer Halbleiterlegie- 55 fahren nur so kurze Zeit beansprucht, Schnellproben rung, deren Ausdehnungskoeffizient im Bereich des einer Fertigungsserie zur Verfügung stehen, die nach Schmelzpunktes negativ ist, durch Erschmelzen und Messung der elektrischen Eigenschaften eine Modi-Erstarren der Legierung in einem senkrecht stehen- fizierung der Einwaage gestatten,
den, unten geschlossenen Schmelzrohr, das um die Zum Erschmelzen der Halbleiterlegierung wird

Rohrachse rotiert, homogene und rißfreie Körper 60 vorzugsweise eine Hochfrequenzspule benützt, in der erhalten, wenn erfindungsgemäß eine Drehzahl ge- das Schmelzrohr axial verschoben wird. Zum Abwählt wird, bei der eine Senke in der Schmelze kühlen wird das Schmelzrohr aus der Hochfrequenzentsteht, spule herausgeschoben. Die Abkühlzeit kann dabei

Mit diesem Verfahren lassen sich homogene Halb- noch durch Verminderung der Hochfrequenzenergie leiterkörper mit beispielsweise 6 bis 15 mm Durch- 65 verkürzt werden. Um einen möglichst kontinuiermesser und einer Länge von etwa 15 mm innerhalb liehen Übergang zu erhalten, kann das Schmelzrohr von 5 Minuten rißfrei herstellen. Durch die Rotation axial innerhalb einer nach unten sich trichterförmig entsteht eine gute Durchmischung des Materials. Die erweiternden Hochfrequenzspule abgesenkt werden.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren an Hand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist mit einer Modifikation des Heizungsteils in den F i g. 1 und 2 dargestellt.

Zur Herstellung eines homogenen Halbleiterkörpers aus einer dotierten Germanium-Silicium-Legierung wird die erforderliche Menge an Germanium, Silicium und Dotierstoff abgewogen und in ein Quarzrohr eingebracht. Hierbei muß das leichter flüchtige Material zuerst eingefüllt werden. Daraufhin wird das Quarzrohr zentrisch in eine Schleudervorrichtung eingespannt und mit Argongas gespült. Unter weiterer Spülung wird die Charge in dem Quarzrohr, vorzugsweise durch ein Hochfrequenzfeld, soweit erhitzt, bis der gesamte Inhalt geschmolzen ist. Bei schlecht an das Hochfrequenzfeld ankoppelndem Material wird durch Fremdheizung die Eigenleitfähigkeit der Charge soweit erhöht, bis die Ankopplung erfolgt. Als Starthilfe kann auch ein so geringer Zusatz bereits dotierten Materials dienen, der im Hochfrequenzfeld direkt ankoppelt, schmilzt und hierdurch auch das übrige Material zum Ankoppeln und Schmelzen bringt. Oberhalb des Schmelzpunktes wird die Schmelze etwa 2 Minuten geschleudert. Die erforderliche Drehzahl richtet sich nach dem durch die Größe des Stückes bedingten Rohrdurchmesser und dem spezifischen Gewicht des Materials. Im vorliegenden Fall wurde für einen Chargendurchmesser von 9 mm eine Drehzahl von 1500 bis 2000 Umdrehungen pro Minute gewählt. Nach dem Ausschalten des Hochfrequenzfeldes wird bis zur Erstarrung der Schmelze weitergeschleudert. Das erschmolzene Stück wird schließlich aus dem Quarzglas entnommen; zur weiteren Bearbeitung werden die beiden Endstücke abgeschnitten.

Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus zwei Teilen, von denen der eine dem Schleudervorgang und der andere zum Aufheizen der Charge dient. Die Schleudereinrichtung enthält ein rotierendes Spannrohr 1 mit einem Spannteil 2, in das das Quarzrohr 3 einführbar und zentrisch spannbar ist. Das Spannrohr 1 wird durch Kugellager 4 geführt und mittels eines in der Drehzahl regelbaren Motors 5 angetrieben. Zur Kontrolle der Drehzahl ist ein Drehzahlmesser 6 vorgesehen, durch den die Drehzahl des Schleuderrohres gemessen werden kann. Im Spannrohr befindet sich noch ein Rohr 7, durch das das Argongas eingeführt wird. Der Heizteil besteht aus einer Hochfrequenz-Induktionsspule 8, die von einem Hochfrequenzgenerator gespeist wird. Die Induktionsspule ist so angeordnet, daß sie die Schmelzcharge 9 vollständig umschließt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 ist an Stelle einer zylindrischen eine trichterförmige Hochfrequenzspule 10 verwendet. Die Spule besitzt oben einen zylindrischen Teil 11 und unten einen kegelförmigen Teil 12. Das Quarzrohr 3 wird von oben her langsam durch die Spule hindurchgeführt. Hierbei wird die Charge im starken Hochfrequenzfeld des zylindrischen Teils zum Schmelzen gebracht und kühlt im sich abschwächenden Hochfrequenzfeld des kegelförmigen Teils ab. Bei diesem Verfahren lassen sich längere Chargen erschmelzen als sie der Spulenlänge entsprechen.

Man kann als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren die einzelnen Komponenten der gewünschten Legierung oder eine bereits zusammengeschmolzene Legierung, gegebenenfalls im zerkleinerten Zustand, benutzen. Der letzte Fall kann bei extremen Anforderungen an die Homogenität ratsam sein. Außerdem können beim Vorschmelzen größerer Stücke Wägevorgänge eingespart werden.

Zu erwähnen ist noch, daß bei Halbleiterkörpern, die für thermoelektrische Zwecke gebraucht werden und deren Enden kontaktiert sein müssen, diese Kontaktierung beim erfindungsgemäßen Verfahren in einfacher Weise zu erreichen ist. Es wird ein Kontaktplättchen, beispielsweise ein Wolframplättchen, vor dem Einbringen der Charge in das Schmelzrohr eingelegt. Auf dieses Wolframplättchen wird das Halbleitermaterial beim Erschmelzen auflegiert.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines homogenen, rißfreien Körpers aus einer Halbleiterlegierung, deren Ausdehnungskoeffizient im Bereich des Schmelzpunktes negativ ist, durch Erschmelzen und Erstarren der Legierung in einem senkrecht stehenden, unten geschlossenen Schmelzrohr, das um die Rohrachse rotiert, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drehzahl gewählt wird, bei der eine Senke in der Schmelze entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leichter flüchtigen Komponenten der Halbleiterlegierung zuerst in das Schmelzrohr eingebracht werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzrohr axial innerhalb einer Hochfrequenzspule verschoben wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzrohr axial innerhalb einer nach unten sich trichterförmig erweiternden Hochfrequenzspule abgesenkt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen