DE2319700A1

DE2319700A1 - Verfahren zur beeinflussung des radialen widerstandsverlaufes in einem halbleitereinkristallstab beim tiegellosen zonenschmelzen

Info

Publication number: DE2319700A1
Application number: DE2319700A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Keller
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1973-04-18
Filing date: 1973-04-18
Publication date: 1974-11-14
Also published as: DE2319700B2; BE813906A; DE2319700C3; IT1006431B; US3976536A; JPS5010961A; GB1415286A; NL7314825A

Description

SIEMElTS AKTIESfGESELLSCHAFT München 2, 1&4WU973 -

Berlin und München Wittelsbacherplata 2

VPA

73/1079

Verfahren zur Beeinflussung des radialen Widerstandsverlaufes in einem Halbleitereinl-zristallstab beim tiegellosen Zonenschmelzen .

Die vorliegende Patentanmeldung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beeinflussung des radialen Widerstandsverlaufs in einem Halbleiterkristallstab, insbesondere aus Silicium, beim tiegellosen .Zonenschmelzen eines senkrecht an seinen Enden gehalterten Kalbleiterstabes mit einer den Stab ringförmig umschließenden, die Schmelze erzeugenden induktiven Heizeinrichtung, bei dem von einem Keimkristall ausgehend die Schmelze in Schutzgasatmosphäre in Sichtung der Stabachse eines Vorratsstabteils durch den Halbleiterstab bewegt wird.

Es ist bekannt, Einkristallstäbe durch tiegelfreies Zonenschmelzen herzustellen, indem mit Hilfe von Keimkristallen polycristalline Halbleiterstäbe, insbesondere oiliciunistäbe, dadurch in Einkristalle übergeführt werden, daß man eine Schmelzzone von dem Ende, an dem der Keimkristall angesetzt ist, zu dem anderen Ende des Halbleiterstabes (Vorratsstabes) v/andern läßt. Der Halbleiterstab wird hierbei meist senkrechtstehend in zwei Halterungen eingespannt, wobei mindestens eine Halterung während des Zonenschmelzens in Rotation um die Stabachse versetzt wird, so daß ein symme-? trisches Aufwachsen des erstarrenden Materials gewährleistet ist.

Im allgemeinen ist es wünschenswert, Einkristallstäbe für die Fertigung von Halbleiterbauelementen herzustellen, welche in Bezug auf ihren radialen Widerstandsverlauf sehr

VPA 9/110/3013 Edt/Hob - 2 -

409846/0916

gleichmäßige Werte aufweisen, d« h. bei der Herstellung dieser Kristallstäbe wird eine sehr gute Durchmischung der Schmelze während des tiegelfreien Zonenschmelzens angestrebt, damit der Dotierstoff überall·gleichmäßig in das Kristallgitter eingebaut wird.

Für die Herstellung von Halbleitermaterial für die Fertigung von Halbleiterbauelementen, ζ. B. über-Kopf-zündbaren [Thyristoren, 'wird ein Halbleitergrundmaterial verwendet, welches aus (111)-orientierten Siliciumkristallscheiben besteht, die in der Mitte der Kristallscheibe einen Einbruch des elektrischen spezifischen Y/iderstandes aufweisen.

Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleitermaterials wird beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 22.04.486.6 (VPA 72/1016) vorgeschlagen, wobei die Beeinflussung des radialen Widerstandsverlaufs dadurch bewirkt wird, daß während des Zonenschmelzens eine der" beiden, die ScZomelze tragenden Stabhalterungen durch. Zufuhr von Energie in axialer Richtung beeinflußt wird. Dabei wird die Energie durch Strom- oder Schallimpulse auf die Schmelze übertragen.

Wird ein gleichmäßiger radialer Widerstandsverlauf ohne Mitteneinbruch gewünscht, so gelangen andere Verfahren zur Anwendung, welche die Schmelze bezüglich ihrer Temperaturvefteilung und -strömung und damit in ihrer Durchmischung beeinflussen. So ist beispielsweise a.us der DT-PS 1.218.404 ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines HaIbleiterkristallstäbs bekannt, bei dem durch gegenseitiges seitliches Verschieben der beiden Stabhalterungen relativ zur Heizeinrichtung ein zusätzlicher Rühreffekt in der Schmelze entsteht, der im rekristallisierten Stabteil die Dotierstoffverteilung vergleichmäßigt.

VPA 9/110/5013 - 3

409846/0916

Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, ' besteht nun darin, die Schmelze bezüglich ihr er ".Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsrichtung und Temperaturverteilung derart zu beeinflussen, daß ein gewünschter radialer Widerstandsverlauf - ob mit oder ohne Mitteneinbruch des spezifischen Widerstandes - im rekristallisierten Halbleiterstab entsteht, ■

Diese Aufgabe wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß die Strömungs- und Temperaturverteilung in der Schmelzzone und in den angrenzenden Stabteilen während des Zonenschmelzens durch Variation der Strömungsgeschwindigkeit, der Strömungsrichtung und der !Temperatur des im Bereich der Schmelzzone vorhandenen Schutzgasstroras derart beeinflußt wird, daß der gewünschte radiale Widerstandsverlauf im Halbleitereinkristallstab entsteht.

Die erfindungsgemäße Lehre gründet sich auf der Erkenntnis, daß die Stabilität der Schmelzzone, die radiale Widerstandsverteilung und die Kristallbaufehler, wie swirls und striations, im wesentlichen von der Strömungs- und Temperaturverteilung in der Schmelze selbst und in den angrenzenden Stabteilen abhängen. Beim Kristallziehen in Schutzgasatmosphäre kann man nun, - im Gegensatz zum Kristallziehen im Vakuum - , auch noch die Strömungsgeschwindigkeit, die Strömungsrichtung und die Temperatur des Schutzgasetroms zur Beeinflussung des radialen Widerstandsverlaufs und der Kristallqualität heranziehen. Es hat sich beispielsweise herausgestellt, daß die Ausbildung des Wulstes am Konusende der Schnelzzone stark vom Gasstrom, der durch den Schlitz einer einwindigen Flachspule (sogen. Lochpfannkuchenspule) geht, abhängt. Eine Schrägstellung dieses Schlitzes kann die radiale Widerstandsverteilung schon günstig beeinflussen.

So ist in einer Weiterbildung des Erfindungsge-dankens vorgesehen, eine einwindige Flachspule zu verwenden, bei der

VPA 9/110/3013 - 4 -

409BA6/0916

der Spulenschlitz mit einem inerten Material, beispielsweise mit aufgesprühtem Aluminiumoxid, oder mit einer Vergußmasse in Form von Polybismaleinimid verschlossen wird. Dadurch wird vermieden, daß eine zusätzliche störende Strömungsstelle im Bereich der Schmelzzone entsteht.

Eine weitere Möglichkeit der Beeinflussung ist dadurch gegeben, daß die Heizspule auf ihrer Oberfläche mit einer 1 bis 3 mm dicken Aluminiumoxid schicht versehen wird, was beispielsweise durch Plasmasprühen geschieht. Durch diese Maßnahme wird eine bessere Wärmeisolierung der Heizspule und damit eine geringere Abkühlung des Schutzgasstroms an der Spulenoberfläche erzielt.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung wird zum Beheizen der Schmelzzone eine mit leitschaufeln und einer Gasableitung versehene, als einwindige Flachspule ausgebildete Induktionsheizspule verwendet. Dadurch wird der am heißen Kristallstab aufwärtsströmende Schutzgasstrom im Bereich der Schmelzzone in eine bestimmte Richtung gezwungen. In Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann die Schmelzzone auch entweder durch gleichsinniges Anblasen mit dem Schutzgasstrom in Rotation versetzt werden, wodurch eine spezielle Durchmischung der Schmelze erreicht wird, oder es kann auch in der Schmelze eine Turbulenz durch Anblasen mit Gasströmen aus verschiedenen Richtungen durch geeignete Stellung der an der Heisspule angebrachten Leitschaufeln erzeugt werden, die zur besseren Durchmischung führt.

Zur Durchführung des Verfahrens nach der Lehre der Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß in einer Zonenschmelzkammer eine einwindige Flachspule verwendet ist, daß im Bereich dieser Flachspule mindestens eine aus einem Quarzrohr bestehende

VPA 9/110/3013 - 5 -

409846/0916

bewegliche Gaszuführung mit einer Düse angeordnet ist, daß die Gaszuführung mit einer Temperatur beaufsehlagbar ist und daß weiterhin außerhalb der Zonenschmelzkammer in der Gaszuführung Mittel vorgesehen sind, durch welche der Gasstrom in Bezug auf seine Strömungsgeschwindigkeit beeinflußt werden kann. Diese Mittel sind beispielsweise zur Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit des Schutzgases ein mit einem Motor gekoppelter Verdichter oder zur Beheizung des Gasstroms eine auf die Gaszuführung aufgebrachte Heizwicklung. Entsprechend ist es auch möglich, den Gasstrom durch Anordnung von Kühlschlangen auf der Gas zuführung zu kühlen.

Weitere Einzelheiten sind den in der Zeichnung befindlichen Figuren 1 bis 6 zu entnehmen.

Pig. 1 zeigt im Prinzip eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; dabei ist auf die Abbildung aller überflüssigen Teile wie Zonenschmelzkammerwände, Stabhalterungen und Spulenhalterungen verzichtet worden. Fig. 2 und 3 zeigt in Untersicht Flachspulen mit geschlos- senem Spulenschlitz.

Die Figuren 4 bis 6 zeigen im Schnittbild und in ühtersicht eine mit Leitschaufeln versehene Flachspule.

In Fig. 1 wird ein aus dem Vorratsstabteil 2 und dem rekristallisierten Stabteil 3 bestehender Siliciumkristall 1 einem Zonenschmelzprozeß unterworfen, indem mittels einer einwindigen Flachspule 4 eine Schmelzzone 5 durch den Stab geführt wird. Im Bereich der flachen Induktionsheizspule 4 wird über ein mit einer Düse 6 versehenes Quarzrohr 7» das mit einer Heizwicklung 8 umgeben ist, ein. Schutzgasstrom aus Argon mit einer Strömungsgeschwindigkeit von mindestens 1 m/sec auf die Schmelzzone 5 gerichtet (s. Pfeil 9)_f wodurch in der Schmelzzone 5 eine gerichtete Strömung entsteht. Der Schutzgasstrom wird mittels eines außerhalb der Zonen-

VPA 9/110/3013 - 6 -

40 9846/0916

schmelzkamraer (nicht abgebildet) in die Gas zuführung 10 eingebauten Verdichters 11, der von einem Motor 12 betrieben wird, auf die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit gebracht. Die eingezeichneten Pfeile.9 zeigen die Strömungsrichtung an. Je nach Ausrichtung der Düse 6 ergeben sich für die Strömungsverteilung in der Schmelze vielfache Beeinflussungsmöglichkeiten. Es ist auch möglich, mehrere Düsen mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten anzuwenden. Als Schutzgasquelle kann auch eine Druckgasflasche verwendet werden, jedoch muß dann die Zonenschmelzkammer mit einem Gasauslaßventil zum Druckausgleich versehen werden (nicht dargestellt).

In Fig. 2 ist eine einwindige Flachspule 14 (sogen. Lochpfannkuchenspule) dargestellt, deren Schlitz 15 zur Vermeidung einer störenden zusätzlichen Strömungssteile mit einer Schicht aus Polybismaleinimid (29) vergossen ist.

Pig. 3 zeigt eine ähnliche Ausführung wie Pig. 2; dabei ist die gesamte Oberfläche der Spule (14) zur besseren Wärmeisolierung und damit geringeren Abkühlung des Gases an der Spulenoberfläche gleichmäßig mit einer 1 bis 3 mm dicken Aluminiumoxidschicht 16 (in der Zeichnung schraffiert dargestellt) besprüht. Der'Spulenschlitz 15 wird ebenfalls mit aufgesprühtem Aluminiumoxid verschlossen.

Pig." 4 zeigt im Schnittbild wie Pig. 1 schematisch die Beeinflussung der Gasströmung an einem Halbleiterkristallstab. Dabei wird in einem aus dem Vorratsstabteil 2 und dem rekristallisierten Stabteil 3 bestehenden Siliciumkristall 1 mittels einer einwindigen Flachspule 4 eine Schmelzzone 5 erzeugt. Derjim Bereich des heißen Stabes aufwärt sströmende Gasstrom 20 wird mittels eines mit der Spule verbundenen Gasfanges in Form eines QuarzZylinders 23 gesammelt und dann durch an die Flachspule 4 angebrachte Leitschaufeln 21, welche aus aufgelöteten Blechen oder aufge-

VPA 9/110/3013 - 7 -

409846/0916

klebten Quarzblättern bestehen, direkt auf die Sehmelzzone 5 gerichtet (Pfeil 22). Das Gas-kann schließlich" durch den Spalt 28 zwischen Spule 4 und Schmelze 5 nach oben ausströmen.

Fig. 5 zeigt an der mit den Leitschaufeln 21 versehenen Spule in einer Untersicht die Strömungsrichtung des heißen Schutzgasstroms 20 bei geschlossenem Spulenschlitz (15,29). Die in Pig. 5 dargestellte Anordnung zeigt die Erzeugung einer rotierenden Schmelzzone (s. Pfeil 24) durch gleichsinnig gerichtetes Anblasen, während in Pig. 6 die Erzeugung von Turbulenz in der Schmelzzone (s. Pfeil 26) durch Anblasen mit Schutzgasströmen aus verschiedenen Richtungen (s. Pfeil 27) dargestellt ist. Die in eine bestimmte Stellung gebrachten Leitschaufeln sind mit dem Bezugszeichen 21 und der verschlossene Spulenschlitz mit 19»29 bezeichnet.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden beispielsweise folgende Resultate erzielt:

Beim Ziehen mit turbulenter Strömung ergab sieh ein gleichmäissiger ^-Verlauf über den Stabquerschnitt (Schwankungen unter 10?έ). Beim Ziehen mit gerichteter Strömung erhielten wir dagegen einen ^ -Einbruch in Stabmitte von ca. 40$, wie er günstig für die Herstellung Überkopfzündfester Thyristoren ist»

13 Patentansprüche
6 Figuren

VPA 9/IIO/3OI3 - 8 -

409846/0916

Claims

Patent a η s ρ r ü c h e

1ϊ) Verfahren zur Beeinflussung des radialen Widerstandsverlaufs in einem Halbleiterkristalistab, insbesondere aus Silicium, "beim tiegellosen Zonenschmelzen eines senkrecht an seinen Enden gehalterten Halbleiterstabes mit einer den Stab ringförmig umschließenden, die Schmelze erzeugenden induktiven Heizeinrichtung, bei dem von einem Keimkristall ausgehend die Schmelze in Schutzgasatmosphäre in Richtung der Stabachse eines Vorratsstabteils durch den Halbleiterstab bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungs- und Temperaturverteilung in der Schmelzzone und in den angrenzenden Stabteilen während des Zonenschmelzens durch Variation der Strömungsgeschwindigkeit, der Strömungsrichtung und der Temperatur des im Bereich der Schmelzzone vorhandenen Schutzgasstromes derart beeinflußt wird, daß der gewünschte radiale Widerstandsverlauf im Halbleitereinkristallstab entsteht.
2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine einwindige Flachspule verwendet wird, bei der der Spulenschlitz mit inertem Material verschlossen ist.
3·) Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch geken η ζ eic hn e t , daß eine einwindige Flachspule verwendet wird, deren Oberfläche mit einer 1 bis 3 mm dicken Aluminiumoxidschicht versehen ist.
4.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 3» d a d u r c h gekennzeichne t , daß der Spulenschlitz mit aufgesprühtem Aluminiumoxid verschlossen wird.

VPA 9/110/3013 - 9 -

409846/09 16
5.) Verfahren nach. Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenschlitz mit Polybismaleinimid verschlossen wird.
6.) Verfahren nach Anspruch 1 und .2, dadurch g e kennz ei chne t, daß zum Beheizen der S.chmelzzone eine mit einem Gasfang und mit Leitschaufeln versehene, als einwindige Flachspule ausgebildete Induktionsheizspule verwendet wird.
7.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Sehmelzzone durch gleichsinniges Anblasen mit dem Schutzgasstrom in Rotation versetzt v/ird.
8.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch g e kennzei ehnet , daß in der Schmelzzone eine Turbulenz durch Anblasen mit Gasströmen aus verschiedenen Richtungen durch geeignete Stellung der an der Heizspule angebrachten Leitschaufeln erzeugt wird.
9·) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Zonenschmelzkammer eine einwindige Flachspule verwendet ist, daß im Bereich dieser Flachspule mindestens eine, aus einem Quarzrohr bestehende bewegliche Gaszuführung mit einer Düse angeordnet ist, daß die Gaszuführung mit einer Temperatur beaufschlagbar ist und daß in der Gaszuführung Mittel vorgesehen sind, durch welche der Gasstrom in bezug auf seine Strömungsgeschwindigkeit beeinflußt werden kann.
10.) Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß ein mit einem Motor gekoppelter Verdichter in der Gas zuführung angeordnet ist.

VPA 9/110/3013 - 10 -

409846/0916
11.) Vorrichtung nach Anspruch 9t dadurch, gekennzeichnet , daß eine Heizwicklung auf
der Gaszuführung angebracht ist.
12.) Vorrichtung" nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß auf der Gaszuführung eine Kühlung vorgesehen ist.

15·) Vorrichtung nach Anspruch 9».dadurch g e -

kennzei ehnet , daß eine einwindige Flachspule verwendet ist, deren Spulenschlits mit inertem Material verschlossen ist.

YPA 9/110/5013

409846/0916

Lee/Zeite