DE2319700C3 - Verfahren zur Beeinflussung des radialen Widerstandsverlaufs in einem Halbleitereinkristallstab beim tiegellosen Zonenschmelzen und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die vorliegende Patentanmeldung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beeinflussung des radialen Widerstandsverlaufs in einem Halbleiterkristallstab 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 Kreimkristall ausgehend die Schmelze in Schutzgasatmosphäre in Richtung der Stabachse eines Vorratsstabteils durch den Halbleiterstab bewegt und die Strömungs- und Temperaturverteilung in der Schmelzzone und in den angrenzenden Stabteilen während des Zonenschmelzens von außen beeinflußt wird.

Rs ist bekannt, Einkristallstäbe durch tiegelfreies Zonenschmelzen herzustellen, indem mit Hilfe von Keimkristallen polykristalline Halbleiterstäbe, insbesondere Siliciumstäbe, dadurch in Einkristalle übergeführt werden, gleichmäßige Werte aufweisen, d. h. bei der Herstellung dieser KristaÜstäbe 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, z. B. über-Kopfzündbaren Thyristoren, wird ein Halbleitergrundmaterial verwendet, welches aus (lll)-orientierten Siliciumkristallscheiben besteht, die in der Mitte der Kristallscheibe einen Einbruch des elektrischen spezifischen Widerstandes aufweisen.

Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleitermaterials wird beispielsweise in der DE-OS 22 04 486 vorgeschlagen, wobei die Beeinflussung des radialen Widerstandsverlaufs dadurch bewirkt wird, daß während des Zonenschmelzens eine der beiden, die Schmelze 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 Temperaturverteilung und -strömung und damit in ihrer Durchmischung beeinflussen. So ist beispielsweise aus der DE-PS 12 18 404 ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines Halbleiterkristallstabs 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.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 22 40 301 bekannt.

Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, besteht nun darin, die Schmelze bezüglich ihrer 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 Strömungsgeschwindigkeit, die Strömungsrichtung und die Temperatur des im Bereich der Schmelzzone vorhandenen Schutzgasstromes variiert werden.

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 Schutzstromes zur Beeinflussung des radialen Widerstandsverlaufs und der Kristallqualität heranziehen. Es hat sich beispiels-

weise herausgestellt, daß die Ausbildung des Wulstes am Konusende der Schmelzzone stark vom Gasstrom, der durch den Schlitz einer einwindigen Flachspule (sogenannte Lochpfannkuchenspule) geht, abhängt. Eine Schrägstellung dieses Schlitzes kann die radiale Widerstandsverteilung schon günstig beeinflussen.

So ist in einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgesehen, eine einwindige Flachspule zu verv/enden, bei der der Spulenschlitz mit einem inerten Material, beispielsweise mit aufgesprühtem Aluminumoxid, oder mit einer Vergußmasse iii 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 Aluminiumoxidschicht 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 Heizspule angebrachten Leitschaufeln erzeugt werden, die zur besseren Durchmischung führt.

Zur Durchführung des Verfahrens nach der Lehre der Erfindung sind Vorrichtungen vorgesehen, wie sie in den Ansprüchen 2 bis 10 gekennzeichnet sind.

Weitere Einzelheiten sind den in der Zeichnung befindlichen F i g. 1 bis 6 zu entnehmen.

F i g. 1 zeigt im Prinzip eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; dabei ist auf die Abbildung aller überflüssigen Teile wie Zonenschmelzkammerwände, Stabhalterungen und Spulenhalterung^ verzichtet worden. F i g. 2 und 3 zeigt in Untersicht Flachspulen mit geschlossenem Spulenschlitz.

Die Fig.4 bis 6 zeigen im Schnittbild und in Untersicht eine mit Leitschaufeln versehene Flachspule.

In F i g. 1 wird ein aus dem Vorratsstabtei! 2 und dem rekristallisierten Stabteil 3 bestehender Silici'imkristall 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 · jk. -indestens 1 m/sec auf die Schmelzzone 5 gerichtet (s. Pfeil 9), wodurch in der Schmelzzone 5 eine gerichtete Strömung entsteht. Der Schutzgasstrom wird mittels eines außerhalb der Zonenschmeizkammer (nicht abgebildet) in die Gaszuführung 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 Zonenschmeizkammer 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 Strömungsstelle mit einer Schicht aus Polybismaleinimid (29) vergossen ist

Fig.3 zeigt eine ähnliche Ausführung wie Fig.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.

F i g. 4 zeigt im Schnittbild wie F i g. 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. Der im Bereich der heißen Stabes aufwärtsströmende Gasstrom 20 wird mittels eines mit der Spule 4 verbundenen Gasfanges in Form eines Quarzzylinders 23 gesammelt und dann durch an die Flachspule 4 angebrachte Leitschaufeln 21, welche aus aufgelöteten Blechen oder aufgeklebten Quarzblättern bestehen, direkt auf die Schmelzzone 5 gerichtet (Pfeil 22). Das Gas kann schließlich durch den Spalt 28 zwischen Spule 4 und Schmelze 5 nach oben ausströmen.

F i g. 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 F i g. 5 dargestellte Anordnung zeigt die Erzeugung einer rotierenden Schmelzzone (s. Pfeil 24) durch gleichsinnig gerichtetes Anblasen, während in Fig.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 sich ein gleichmäßiger ρ-Verlauf über den Stabquerschnitt (Schwankungen unter 10%). Beim Ziehen mit gerichteter Strömung erhielten wir dagegen einen ρ-Einbruch in Stabmitte von ca. 40%, wie er günstig für die Herstellung überkopfzündfester Thyristoren ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Verfahren zur Beeinflussung des radialen Widerstandsverlaufs in einem HalbJeiterkristallstab 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 und die Strömungs- und Temperaturverteilung in der Schmelzzone und in den angrenzenden S tab teilen während des Zonensehmelzens von außen beeinflußt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit, die Strömungsrichtung und die Temperatur dps im Bereich der Schmeizzone vorhandenen Schutzgasstromes variiert werden.

   2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Spule und einem beweglichen, mit einer Düse versehenen Quarzrohr, wobei die Düse im Bereich des inneren Randes der Spule mündet, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule als einwindige Flachspule (4) ausgebildet ist, oberhalb deren innerem Rand die Düse (6) mündet.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizwicklung (8) auf dem Quarzrohr (7) angebracht ist.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Quarzrohr (7) eine Kühlung vorgesehen ist.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine einwindige Flachspule (4) verwendet wird, deren Spulenschlitz mit inertem Material (29) verschlossen ist.

   8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der einwindigen Flachspule eine 1 mm bis 3 mm dicke Aluminiumoxidschicht (16) aufweist.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenschlitz mit aufgesprühtem Aluminiumoxid verschlossen ist.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenschlitz mit Polybismaleinimid verschlossen ist.

   9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Quarzrohr (7; 10) ein mit einem Motor (12) gekoppelter Verdichter (11) angeordnet ist.

   10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer einwindigen Flachspule, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachspule (4) mit einem Gasfang (23) und mit Leitschaufeln (21) versehen ist.