DE2635093A1

DE2635093A1 - Vorrichtung zum ziehen eines halbleiter-einkristalls

Info

Publication number: DE2635093A1
Application number: DE19762635093
Authority: DE
Inventors: Roger Castonguay; Martin Leonard Cohen; Wilson Poor Menashi; Peter Christoph Von Thuena; Joseph Francis Wenckus
Original assignee: Arthur D Little Inc
Current assignee: Arthur D Little Inc
Priority date: 1975-08-28
Filing date: 1976-08-04
Publication date: 1977-03-10
Also published as: FR2321937A1; US3980438A; JPS5230273A

Description

Vorrichtung zum Ziehen eines Halbleiter-Einkristalls

Die Erfindung betrifft allgemein das Herstellen von Halbleiter-Einkristallen nach der Gzochralski-Methode und bezieht sich insbesondere auf die Herstellung eines solchen Einkristalls, der einen im wesentlichen gleichförmigen Durchmesser aufweist.

Die Herstellung von Einkristallen aus hitzebeständigen Materialien wie Aluminiumoxid, Spinell, Granat und ähnlichen Materialien sowie aus verhältnismäßig hochschmelzenden Halbleitermaterialien wie Galliumarsenid, Galliumphosphid und ähnlichen Materialien nach der sogenannten Czochralski-T'echnik ist an sich bekannt. Hach dieser Technik werden Einkristalle hergestellt, indem die Oberfläche einer geschmolzenen Hasse des entsprechenden Materials, aus welchem die Kristalle hergestellt werden sollen, mit einem Kristallkeim in Berührung gebracht wird, wonach der ge^T.-rünsehte Kristall langsam nach oben bewegt wird, der an dem Kristallkeim angebracht ist, so daß der gewünschte Kristall aus der Schmelze

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herausgezogen wird. Obwohl dies eine zufriedenstellende Technik ist, um große Einkristalle herzustellen, hat sie den wesentlichen Fachteil,., daß Kristalle mit schwankenden Durchmessern über ihre Länge selbst dann erzeugt werden, wenn eine konstante Ziehgeschwindigkeit aufrechterhalten wird. Dies rührt insbesondere von der Tatsache her, daß während des Ziehens das Yolumen der Schmelze im Schmelztiegel abnimmt und das sich ändernde Volumen der Schmelze oft zu Yeränderungen in der Temperatur der Schmelze Anlaß gibt_t wodurch der Durchmesser des wachsenden Kristalls beeinträchtigt wird.

Obwohl es grundsätzlich möglich ist, Kristalle mit ungleichförmigen Durchmessern zu verwenden, sind solche Kristalle nicht absolut erstrebenswert. Kristalle mit einem im wesentlichen gleichförmigen Durchmesser über ihre gesamte Länge führen zu einer höheren Ausbeute der Endprodukte bei der anschließenden Fabrikation und gewährleisten eine gleichbleibendere Qualität der Bndprodukte. Solche Kristalle, die einen gleichförmigen Durchmesser haben, bieten schlieBlich hinsichtlich, der Kosten und der Qualitätskontrolle erhebliche Vorteile.

Ein Einkristall mit einem im wesentlichen gleichförmigen Durchmesser läßt sich jedoch herstellen, wenn einer von zwei Betriebsparametern während des Ziehvorganges in geeigneter Weise verändert werden kann. Diese Parameter sind die Geschwindigkeit, mit welcher der- Ziehkopf bewegt wird, dem eine translatorisehe Bewegung erteilt wird und an welchem der Kristallkeim befestigt ist, und andererseits die Energiezufuhr zu der Heizeinrichtung, welche den Siegel beaufschlagt. ¥enn die Ziehgeschwindigkeit vermindert wird_T nimmt der Kristalidurchmesser zu. Wenn über die Wärmezufuhr die Temperatur in der Schmelze verändert wird, so schlägt sich diese Veränderung ebenfalls im Kristalldurchmesser nieder.

Obwohl die Möglichkeit besteht, daß ein Techniker fortwährend das System überwacht und die erforderlichen. Einstellungen vornimmt

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und zwar bei der Geschwindigkeit der Bewegung des Ziehkopfes und/oder in der Temperatur der Schmelze, ist dies natürlich keine wirtschaftliche Fertigungsmethode. Es ist bereits versucht worden, das Problem der Automatisierung der Steuerung bei einem Kristallziehvorgang nach der Czochralski-Methode dadurch zu automatisieren, daß bei der Verarbeitung von dielektrischem Material wie Aluminiumoxid, Spinell, Granat und ähnlichem Material eine Einrichtung verwendet wird, um das zunehmende Gewicht des Kristalls fortlaufend zu überwachen (oder in umgekehrter Weise das abnehmende Gewicht der im Tiegel verbleibenden Schmelze), wobei die dabei erhaltenen Daten zur Steuerung von einem der oben genannten Betriebsparameter verwendet werden. Eine solche Einrichtung zur Überwachung und Steuerung arbeitet an sich für solche Materialien wie Aluminiumoxid und ähnliche zufriedenstellend, die unter Umgebungsbedingungen oder in einer speziellen Umgebung verarbeitet werden können, bei welcher der entsprechende Raum und die Zugangsmöglichkeit vorhanden sind, um eine solche Einrichtung zu betreiben. Die Herstellung von Kristallen aus Halbleitermaterialien, die einen oder mehrere flüchtige Bestandteile enthalten, erfordert jedoch Bedingungen, bei welchen die Überwachung und Steuerung auf der Basis der Gewichtsüberwachung nur mit außerordentlichen Schwierigkeiten anwendbar ist. Zu diesen erschwerten Bedingungen gehört es, daß der Tiegel mit der Schmelze sowie die entsprechende Halterung, die Heizeinrichtung und ein Teil des Kristallziehkopfes innerhalb eines Hochdruck- (bis zu 100 Atmosphären)-Hochtemperatur- (bis zu 4000 ⁰C)-Ofens angeordnet sein müssen. Das Arbeitsvolumen innerhalb eines solchen Ofens ist nicht dafür geeignet, eine Vorrichtung zur Gewichtsbestimmung aufzunehmen.

Die Halbleitermaterialien, welche von besonderem Interesse sind, und für welche die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere geeignet ist, enthalten auch-solche Materialien, die allgemein als Verbindungen der Gruppe IH-V, der Gruppe H-VI und der

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Gruppe II-IV-VI bezeichnet werden, und zwar ebenso wie elementare Halbleitermaterialien wie Silizium und Germanium. Diese Materialien können als Detektorelemente in Infrarotdetektoren verwendet werden, lassen sich weiterhin als lichtemittierende

Dioden verwenden, können auch als Infrarotfensterelemente verwendet werden und können in Gunn-Dioden sowie in Hall-Generatoren eingesetzt werden. Beispiele für Verbindungen der Gruppe HI-V sind solche, welche dadurch hergestellt werden, daß eines oder mehrere der Materialien der Gruppe III wie Gallium und Indium mit einem oder mehreren der Materialien der Gruppe V wie Phosphor, Arsen und Antimon reagieren. Beispiele solcher Verbindungen der Gruppe H-YI sind solche, welche dadurch entstehen, daß eines oder mehrere der Elemente der Gruppe II wie Zink, Cadmium und Quecksilber mit einem oder mehreren der Elemente der Gruppe VI wie Schwefel, Selen und Tellur reagieren. Quecksilber-Cadmium-Tellurid, Blei-Zinn-Tellurid und Blei-Zinn-Selenid lassen sich als Beispiele für ternäre Systeme anführen, die aus Verbindungen der Gruppe II-IV-VI gebildet sind.

Viele dies.er elementaren Komponenten haben einen sehr hohen Dampfdruck bei erhöhten Temperaturen, und zwar sowohl in ihrem Elementarzustand als auch in ihrem kombinierten Zustand, eine Tatsache, welche die Bildung von Einkristallen aus diesen Materialien schwierig und kostspielig werden läßt. Somit ergibt sich eine beträchtliche technische Schwierigkeit bei der Verarbeitung dieser und anderer flüchtiger Materialien, und es ist außerordentlich schwierig, den Materialverlust durch Verflüchtigung zu vermeiden, welcher zu einem Zerfall, zu einer Bildung von inhomogenen Kristallen oder in einigen Fällen sogar zu einer katastrophalen Zerstörung des Systems führen kann.

Obwohl die wesentlichsten und größten Schwierigkeiten bei der Herstellung von Einkristallen aus polykristallinen Materialien

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wie Arseniden, Phosphiden, Telluriden, Seleniden und ähnlichen Materialien weitgehend dadurch überwunden werden konnten, daß eine Flüssigkeitskapselung in Hochtemperatur-Hochdruck-öf en angewandt wird, ist bisher das Problem noch nicht zufriedenstellend gelöst, innerhalb der begrenzten Räumlichkeit solcher Öfen die Kristallherstellungsparameter in der gewünschten Weise zu steuern. Eine entsprechende Einrichtung müßte nicht nur außerordentlich zuverlässig und einfach im Betrieb sein, sondern sollte auch wirtschaftlich arbeiten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiter-Einkristallen nach der Czochralski-Methode zu schaffen, durch welche Einkristalle mit einem über ihre gesamte Länge im wesentlichen konstanten Durchmesser herstellbar sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale.

Gemäß der Erfindung ist der wesentliche Vorteile erreichbar, daß Halbleiter-Einkristalle auch aus solchen Materialien mit im wesentlichen konstantem Durchmesser über ihre gesamte Länge hergestellt werden können, welche wenigstens einen flüchtigen Bestandteil enthalten.

Gemäß der Erfindung können auch verhältnismäßig große Halbleiter-Einkristalle mit praktisch konstantem Durchmesser über ihre gesamte Länge hergestellt werden.

Gemäß der Erfindung wird bei einer Schmelze, die aus einem Halbleitermaterial besteht, die Tatsache vorteilhaft ausgenutzt, daß der Quarztiegel, sein Inhalt und die Halterung in einen elektrischen Kreis einbezogen werden können und als veränderbarer Widerstand dienen, dessen Wert sich in einer eindeutigen Weise als Funktion der Höhe des Volumens der Schmelze innerhalb

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des Quarztiegels ändert. Wenn somit das Volumen der Schmelze abnimmt, so nimmt derjenige Oberflächenbereich innerhalb des Quarztiegels ab, der mit dem Volumen der Schmelze in Berührung ist, was dazu führt, daß der Widerstand der Schmelztiegelanordnung zunimmt. Der Unterschied zwischen dieser Veränderung im Widerstand und einer vorgegebenen programmierten ¥iderstandsfunktion auf der Basis der Entnahme einer gleichförmigen Menge an Volumen der Schmelze zur Herstellung eines gleichförmigen Durchmessers des gezogenen Kristalls wird dazu ausgenutzt, ein geeignetes Signal zu erzeugen, welches dazu herangezogen werden kann, entweder die Geschwindigkeit eines Motors rait veränderbarer Geschwindigkeit zu steuern, welcher den Ziehkopf antreibt, so daß auf diese Weise die Ziehgeschwindigkeit verändert wird, oder es kann mit dem erzeugten Steuersignal die Heizeinrichtung beaufschlagt werden und somit die Temperatur des Volumens der Schmelze verändert werden. In jedem Falle ist eine kontinuierliche Überwachung und Einstellung der gewählten Betriebsparameter möglich, was zu einem Kristall mit im wesentlichen gleichförmigem Durchmesser führt.

Obwohl im allgemeinen Quarz zur Herstellung der Tiegel verwendet wird, welches das Volumen der Schmelze aufnenmen, so daß auch hier Quarz als Beispiel eines Tiegelmaterials genannt ist* liegt es auch im. Eahmen der Erfindung, andere dielektrische Materialien wie Aluminiumoxid, Berylliumoxid, Magnesiumoxid und ähnliche zur. Herstellung des Tiegels zu verwenden. Die Erfordernisse für das Tiegelmaterial bestehen im wesentlichen darin, daß es das Halbleitermaterial in einem geschmolzenen Zustand aufnehmen muß, daß es ein dielektrisches Material seih muß und daß es einen im wesentlichen konstanten elektrischen Widerstand über den verhältnismäßig schmalen Temperaturbereich aufweist, der zum Ziehen des Kristalls erforderlich ist.

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Bei dem nachfolgend "beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Tiegel zur Vereinfachung als gerader Kreiszylindertiegel dargestellt. Bei einer derartigen Konfiguration ist die Veränderung im Widerstand des Tiegels bzw. in der Tiegelschaltungsanordnung eine praktisch, lineare Funktion der Entnahme des geschmolzenen Materials aus dem Tiegel. Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, einen Tiegel mit einer anderen geeigneten Konfiguration zu verwenden, wobei in einem solchen Fall die Veränderung im Widerstand der Tiegel schaltungsanordnung leicht zu berechnen ist und zur Bestimmung der programmierten Widerstandsfunktion verwendet wird-

Gemäß einer "besonders bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsform des Erfindungsgegenstandes ist vorgesehen, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche dazu dient, den Durchmesser des Kristalls zu überwachen und zu steuern, während er gezogen wird, daß die Einrichtung eine elektrische Schaltung aufweist, welche die Tiegelanordnung einschließt, um einen elektrischen Strom durch den Kristallkeim, den Kristall, die Schmelze und den Tiegel zu führen, um auf diese Weise ein Meßsignal zu erzeugen, daß der Tiegel als veränderbarer Widerstand verwendet wird, dessen Widerstandswert sich mit der Veränderung des Pegels der Schmelze ändert, daß weiterhin eine Einrichtung vorgesehen ist, welche dazu dient, ein Bezugssignal zu erzeugen, welches für einen vorgegebenen Kristalldurchmesser und eine vorgegebene Ziehgeschwindigkeit repräsentativ ist, daß weiterhin eine Komparatoreinrichtung vorgesehen ist, welche dazu dient, die Differenz zwischen dem gemessenen Signal und dem Bezugssignal zu bestimmen und ein Betriebssignal zu erzeugen, welches eine Funktion" dieser Differenz ist, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche dazu dient, das Betriebssignal entweder der Heizeinrichtung oder dem Motor mit veränderbarer Geschwindigkeit zuzuführen,

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wodurch die Temperatur der geschmolzenen Masse oder die Geschwindigkeit der translatorischen Bewegung verändert werden, um den Durchmesser des Kristalls während des gesamten Ziehvorganges im wesentlichen konstant zu halten.

Gemäß der Erfindung ist somit eine Konstruktion, eine Kombination von Elementen und eine Anordnung von Teilen vorgesehen, mit welcher ein Einkristall mit wesentlichen konstantem Durchmesser hergestellt werden kann.

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Die Erfindung wird nachfolgend "beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kristallzieheinrichtung, welche zur Ausführung des Czochralski-Verfahrens geeignet ist und eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Überwachung und Steuerung des Krista11durchmessers aufweist,

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform der Einrichtung zur Überwachung und Steuerung des Kristalldurchmessers, wobei eine Wechselspannungsschaltung verwendet wird,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Einrichtung zur Überwachung und Steuerung des Kristalldurchmessers, wobei eine Wechselspannungsschaltung verwendet wird, und

Fig. 4- eine Ausführungsform der Einrichtung zur Überwachung und Steuerung des Kristalldurchmessers, welche eine Gleichspannungsschaltung verwendet.

Die Fig. 1 veranschaulicht in etwas schematischer Form eine Vorrichtung, welche dazu dient, einen Kristall aus einer Schmelze zu ziehen, indem das an sich bekannte Czochralski-Verfahren angewandt wird. Die Schmelze 10, aus welcher der Kristall 11 gezogen wird, ist in einem Quarztiegel 12 enthalten, der in einer Tiegelhalterung 13 angeordnet ist. Der Keim 14, welcher dazu verwendet wird, den Vorgang in Gang zu bringen, ist in einer Keimhalterung 15 gehalten, die ihrerseits an einem elektrisch leitenden Adapter 16 angebracht ist, der an einer wassergekühlten Haltestange 17 angebracht ist, welche mit dem Gehäuse 18 eines Hochdruck-Hochtemperatur-Ofens verbunden ist. Das Ofengehäuse ist gemäß der Darstellung geerdet, und der Ziehkopf (Adapter 16 und Haltestange 17) ist mit dem Gehäuse kurzgeschlossen. Die Keimhalterung 15 kann aus einem elektrisch isolierenden

Material bestehen, beispielsvfeise aus Bornitrid, wobei in diesem Falle die Notwendigkeit bestellt, eine elektrische Verbindung zwischen dem Keim 14· und dem Adapter 16 wie einen Draht 19 vorzusehen, der aus Molybdän bestehen kann. Der Kirstallziehvorgang wird dadurch herbeigeführt, daß der Haltestange 17 über einen Motor 20 mit veränderbarer Geschwindigkeit eine translatorische Bewegung erteilt wird. Die Antriebseinrichtung für die Stange 17 ist vorzugsweise außerhalb des Ofengehäuses 18 angebracht, so daß eine Hochdruck-Lagerdichtung 21 notwendig ist. Eine geeignete Haltestange mit einer entsprechenden Antriebseinrichtung ist in der US-Patentschrift 3: 552 931 beschrieben, und geeignete vollständige Hochdruck-Hochtemperatur-Öfen (in der Fig. 1 durch das Gehäuse 18 dargestellt) sind in den US-Patentschriften 3 639 718 und 3 865 554- beschrieben.

Wenn die Heizeinrichtung, welche durch die Spule 25 in der Fig. 1 dargestellt ist, aus einer Hochfrequenzspule gebildet ist, dann ist die Tiegelhalterung 13 vorzugsweise aus Graphit hergestellt und sie dient auch als Suszeptor. In einer alternativen Ausführungsform kann die Heizeinrichtung eine Widerstandsheiζeinrichtung sein, wobei dann die Tiegelhalterung 13 aus Graphit oder einem geeigneten Keramikmaterial hergestellt sein kann. Die Energie von der Energiequelle 26 wird dem Ofen über Leitungen 27 und 28 zugeführt, welche durch eine geeignete Druckdichtung 29 hindurchgeführt sind, die typischerweise eine Conax-Druckpackung sein kann.

Die Tiegelhalterung 13 hat einen Fuß 30, der in einer Molybdänscheibe 31 und einem Kontaktdraht 32 mündet. Der Fuß 50 sitzt ■ in einer elektrisch isolierenden Halterung 33» cLie beispielsweise aus Bornitrid hergestellt ist, und diese Halterung sitzt wiederum auf einer Tiegelhaltewelle 34-, welche durch das Ofengehäuse 18 hindurchgeht und durch einen Dichtring 35 abgedichtet

ist. Eine isolierende Leitung aus Keramikmaterial, beispiels-, weise aus Aluminiumoxid, geht durch die Tiegelhaltewelle 34 hindurch, um den Leitungsdraht 37 zu isolieren, der mit der Leitung 32 in Verbindung steht. Auf diese Weise läßt sich die Tiegelanordnung mit einem Quecksilberkontakt 38 anschließen. Eine Hülle 39 aus rostfreiem Stahl mit einer O-Ringdichtung 40 erstreckt sich in die Tiegelhaltewelle 34- hinein, um die Isolierleitung 36 in einer fluchtenden Anordnung zu halten. Bei dem Quecksilberkontakt 38 ist der Draht 37 in ein Quecksilberbad 42 eingetaucht, welches in einem Plexiglascontainer 43 angeordnet ist, und über das Quecksilber und einen Kontakt 44 wird eine elektrische Verbindung hergestellt. Auf diese V/eise wird der Stromkreis durch die Tiegelanordnung geschlossen. Die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ist dazu geeignet, Halbleitermaterialien zu verarbeiten, beispielsweise Galliumarsenid, welches einen oder mehrere flüchtige Bestandteile enthält. In diesem Falle ist die Schmelze 10.mit einer Flüssigkeit vrie 54 abgedeckt, so daß das Volumen der Schmelze 10 vollständig durch die Flüssigkeit 54, die beispielsweise Bp°z sein kann, überdeckt ist, und das Ofenvolumen 55 ist in geeigneter Weise unter Druck gesetzt.

Wenn der Kristall 11 gezogen wird, nimmt natürlich das Volumen der Schmelze 10 in dem Maß ab, in welchem das Volumen des Kristalls zunimmt. Indem ein gewünschter Kristalldurchmesser und eine gewünschte Ziehrate eingehalten werden, so daß dadurch auch die Rate gesteuert wird, mit welcher das Kristallvolumen zunimmt, ist es verhältnismäßig einfach, aus der Abnahme des Volumens der Schmelze diejenige Rate zu berechnen, mit welcher der Pegel der Schmelze im Quarztiegel 12 abnehmen muß. Der Quarztiegel hat einen außerordentlich hohen Widerstand und bildet daher den Hauptwiderstand in dem Kreis der Schmelztiegelanordnung,

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welcher sich von dem Ofengehäuse 18 über die Stange 17, den Kristall 11, die Schmelze 10, den Tiegel 1J, die Tiegelhalteeinrichtung und den Quecksilberkontakt 58 erstreckt. Der Wider stand E „, welcher von dem Quarztiegel herrührt, läßt sich ausdrücken als

wobei ρ die spezifische Widerstand von Quarz ist, wobei t die Dicke des Quarzes ist und wobei A die Kontaktoberfläche darstellt. Für praktische Zwecke kann dies als Ausdruck für den Widerstand in dem Tiegelkreis angesehen werden. Aus dieser Beziehung ergibt sich, daß zu einer beliebigen Zeit während des Kristallwachstums der Widerstand im Schmelztiegelkreis E folgenden Wert annimmt:

^Ex "

Pt

χ A + kh

wobei A der Widerstand des Bodens des Tiegels ist, wobei k eine Konstante ist und wobei h die Höhe des Volumens der Schmelze im Tiegel ist.

Indem dieser Widerstand des Schmelztiegelkreises überwacht wird, und mit einer zuvor festgelegten, programmierten Widerstandsfunktion in einem geeigneten Komparator verglichen wird, läßt sich ein Signal erzeugen, welches eine Funktion der Differenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert dieses Widerstandes darstellt. Dieses Signal wird dann dazu verwendet, entweder die Ziehgeschwindigkeit einzustellen, indem die Drehzahl des Motors 20 mit veränderbarer Geschwindigkeit entsprechend geregelt wird oder indem die Temperatur des Schmelzvolumens dadurch entsprechend eingestellt wird, daß die Leistungsaufnahme der Heizeinrichtung 28 in entsprechender Weise gesteuert wird. In der Fig. 2 sind beide Alternativen zur Ausführung der Steuerung des Kristalldurchmessers veranschaulicht. In solchen Fällen, in welchen ein

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außerordentlich großes Schmelzvolumen verwendet wird, kann es allgemein vorzuziehen sein, die Ziehgeschwindigkeit zu steuern oder zu regeln, da eine Veränderung der Wärmezuführung für das Volumen der Schmelze 10 keine hinreichend rasche Ansprechcharakteristik haften könnte. Wie unten im einzelnen näher dargelegt wird, kann jedoch eine Veränderung der Wärmezufuhr eine Stabilxsxerungswirkung haben. I¹Ur den Fall, daß das.Volumen der Schmelze verhältnismäßig klein ist, kann einer der beiden Parameter geregelt werden.

In den Fig..- 2 bis 4 sind Ausführungsbeispiele der Schaltung dargestellt, welche dazu dient, den Durchmesser der Halbleitermaterialien gemäß der Erfindung zu überwachen und zu steuern. Diese Schaltungen sind zweckmäßigervreise Brücken schaltungen, wie sich aus der Zeichnung ergibt. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 bildet der Widerstand 70, welcher mit "Kristall-Länge" bezeichnet ist, die programmierte Widerstandsfunktion, welche typischerweise ein linear abnehmender Widerstand ist, und zwar auf der Basis des gewünschten Durchmessers des Kristalls, der hergestellt werden soll, und weiterhin unter Berücksichtigung der Ziehgeschwindigkeit, mit welcher der Kristall aus der Schmelze gezogen wird. Für ein vorgegebenes System läßt sich die Funktion verhältnismäßig leicht bestimmen, und sie wird normalerweise in Ohm pro Längeneinheit des gezogenen Kristalls angegeben. Der Widerstand 71» der mit "ÜTulleinstellung" bezeichnet ist, ist tatsächlich ein Teil des Widerstandes 70, wenn er auch in der Fig. 2 als getrennter einstellbarer Widerstand dargestellt ist, wobei er dazu dient, eine verhältnismäßig kleine Einstellung zum Abgleich der Brückenschaltung zu der Zeit des Beginns des Kristallziehvorganges zu erreichen. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, die Widerstände 70 und 71 miteinander zu kombinieren, wenn dies zweckmäßig erscheint. Der Widerstand 72 stellt einen weiteren Abgleichwiderstand in der Brücke dar. Der Widerstand 73, der mit "Kristalldurchmesser-Einsteilung" bezeichnet

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ist, wird derart eingestellt, daß er einem vorgegebenen gewünschten, gleichförmigen Kristalldurchmesser entspricht. Der Widerstand 74-, welcher mit "Tiegel" bezeichnet ist, stellt natürlich den Widerstand der Tiegelanordnung während des Kristallwachstums dar. Die Anordnung der linear abnehmenden Widerstände 70 und 71 in der Brücke kompensiert genau die Veränderung im Widerstand des Tiegelkreises, der zu der Höhe des Schmelzvolumens umgekehrt proportional ist. In der Praxis wird.dadurch die Verwendung einer einfachen mechanischen Antriebseinrichtung ermöglicht, welche durch gestrichelte Linien 75 und 76 dargestellt ist, und zwar zwischen dem Ziehkopf 77 (einschließlich der Haltestange 17 und einschließlich dem. Motor 20 (Fig. 1) mit veränderbarer Geschwindigkeit), und es wird weiterhin die Verwendung eines Potentiometers für den Widerstand 70 ermöglicht. Demgemäß xriLrd in der Praxis die Erzeugung einer programmierten Widerstandsfunktion gemäß der Erfindung vereinfacht. In einer alternativen Ausführungsform könnte die Widerstandsanordnung 73 gegebenenfalls auch eine nicht-linear .ansteigende Funktion der Kristall-Länge während des Wachstums simulieren.

Eine Wechselspannung wird der Schaltung aus einer beliebigen geeigneten Quelle wie einem Transformator 78 zugeführt. Die übrigen Schaltungselemente, welche den Komparator bilden, weisen einen phasenempfindlichen Detektor bzw. Gleichrichter auf, welcher Widerstände 79, 80, 81 und 82, einen Transistor 82 und einen Verstärker 84 aufweist, dessen Ausgang das Signal abgibt, welches entweder der Energieversorgung 26 oder dem Motor 20 mit veränderbarer Geschwindigkeit zugeführt wird. Eine derartige Komparatorschaltung ist an sich bekannt.

Im Betrieb wird der Widerstand 70 derart programmiert, daß ein Widerstand entsteht, der in einem Maß abnimmt, welches dem Maß entspricht, mit welchem der Kristall gezogen wird und der

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gewählte Kristalldurchmesser für den entsprechenden Lauf sich verändert. Wenn der Widerstand 74- der Tiegelanordnungsschaltung nicht der inversen Funktion des Widerstandes 70 folgt, dann ist die Brücke nicht mehr abgeglichen, was einem Zustand entspricht, der von der Anordnung erkannt wird und in dem phasenempfindlichen Detektor ausgevrertet wird, wobei auch der Verstärker 84- mitwirkt. Wenn der Widerstand 74· der Tiegelanordnung zu klein ist, so bedeutet dies, daß der Pegel des Volumens der Schmelze im Tiegel zu langsam abnimmt und der Kristalldurchmesser zu klein ist. Dies kann dadurch verändert werden, daß die Ziehgeschwindigkeit verringert wird oder daß die Temperatur der Schmelze vermindert wird- Wenn andererseits der Widerstand 74- zu groß ist, so bedeutet dies, daß das Volumen der Schmelze im Tiegel zu schnell abnimmt und der Kristalldurchmesser zu groß wird. Dies kann dadurch verhindert werden, daß die Ziehgeschwindigkeit erhöht wird oder die Temperatur der Schmelze erhöht wird. Obwohl das Ansprechen der Temperatur der Schmelze im Falle einer Schmelze mit sehr großem Volumen langsamer von statten gehen kann, hat die Veränderung dieser Temperatur auf. die Steuerung des Kristalldurchmessers eine Sta"bilisierungswirkung in der Weise, daß gleichzeitig der Kristalldurchmesser und der Widerstand der Tiegelanordnung verändert werden, und zwar wegen des negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes des Tiegelmaterials. Dieses doppelte Ansprechen wird nicht erreicht, wenn die Geschwindigkeit verändert wird, mit welcher der Ziehkopf nach oben bewegt wird.

Bei der Ausführungsform der Einrichtung· zur Überwachung und Steuerung des Kristalldurchmessers gemäß der Erfindung nach Fig. J ist die Brückenschaltung grundsätzlich dieselbe wie in der Anordnung gemäß Fig. 2. Jedoch weist bei der Anordnung gemäß Fig. 3 der Komparator Verstärker 86 und 87 sowie Dioden 88 und 89 auf, welche den Schaltungselementen für die Tiegelkreisanordnung im Hinblick auf das programmierte Signal zugeordnet sind,

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und die Schaltung enthält weiterhin einen Widerstand 90 waä. einen Kondensator 91. Das mit dieser Schaltungsanordnung; hervorgerufene Steuersignal, welches für die Differenz zwischen den zwei Signalen repräsentativ ist, wird in. der o"ben beschriebenen Weise verwendet. Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. erfolgt der Vergleich zwischen den zwei Signalen am Ausgang des Verstärkers, anstatt durch die zwei gegeneinander geschalteten Gleichrichter 88 und 89-

Obwohl es im allgemeinen vorzuziehen sein wird, eine Wechselspannung sschaltung zu verwenden, wie sie in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, weil die Tiegelanordnung die Tendenz hat, ein kleines Gleichspannungspotential zu erzeugen, ist es auch möglich, eine Gleichspannungsschaltung zu verwenden, wie sie in der Fig. 4-dargestellt ist. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 wird die Energie durch eine geeignete Gleichspannungsquelle wie eine Batterie 93 geliefert, und die gesamte Brücke dient als Komparator. Ein Gleichspannungsverstärker 94-1 der geeignete Widerstände 95 und 96 aufweist, wird dazu verwendet, das Signal auf denjenigen Pegel anzuheben, welcher erforderlich ist, die gewünschte Steuerung des Kristalldurchmessers durchzuführen. Das Betriebssignal für den Verstärker 94- wird entweder dem Motor 20 mit veränderbarer Geschwindigkeit oder der Energieversorgung 26 zugeführt (siehe Fig. 1). -

Obwohl die erfindungsgemäße Vorrichtung in Verbindung mit der Verwendung eines Hochdruck-Hochtemperatur-Ofens beschrieben xmrde, der zur Behandlung von Halbleitermaterialien dient, die mindestens einen flüchtigen Bestandteil enthalten, ist es zur Ausbildung von Halbleiterkristallen nach der Czochralski-Methode auch möglich, die Herstellung von Kristallen unter beliebigen anderen Bedingungen auszuführen. Gemäß den obigen Ausführungen stellen Materialien wie GaP, GaAs, HgCdTe und ähnliche die

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schwierigsten IProlbleme in Verbindung mit; ihrer Handhabung in einer Schmelze dar, und es wurden daher solche Materialien zur Yeransehaulichimg der erfindungsgesäßen Vorrichtung herangesogen.

- Patentansprüche 709810/0733 P one-

Claims

Pa t ent a n sp rücke

Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiter-Einkristalls durch Ziehen dieses Kristalls der mittels eines Keimkristalls aus einer Schmelze gezogen wird, wobei ein Tiegel vorhanden ist, der aus einem dielektrischen Material besteht und die Schmelze enthält, wobei weiterhin eine Halterung für den Tiegel, eine Heizeinrichtung, eine Haltestange zur Halterung des Kristallkeims und zur Herbeiführung einer translatorischen Bewegung des an dem Kristallkeim angebrachten Kristalls sowie ein Motor mit veränderbarer Geschwindigkeit vorhanden sind, wobei der Motor zum Antrieb der Haltestange dient, dadurch gekennz eichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche dazu dient, den Durchmesser des Kristalls, zu überwachen und zu steuern, während er gezogen wird, daß die Einrichtung eine elektrische Schaltung aufweist, welche die Tiegelanordnung einschließt, um einen elektrischen Strom durch den Kristallkeim, den Kristall, die Schmelze und den Tiegel zu führen, um auf diese Weise ein Meßsignal zu erzeugen, daß der Tiegel als veränderbarer Widerstand verwendet wird, dessen Widerstands wert sich mit der Veränderung des Pegels der Schmelze ändert, daß weiterhin eine Einrichtung vorgesehen ist, welche dazu dient, ein Bezugssignal zu erzeugen, welches für einen vorgegebenen Kristalldurchmesser und eine vorgegebene Ziehgeschwindigkeit repräsentativ ist, daß weiterhin eine Komparator einrichtung vorgesehen ist, welche dazu dient, die Differenz zwischen dem gemessenen Signal und dem Bezugssignal zu bestimmen und ein Betriebssignal zu erzeugen, welches eine Funktion dieser Differenz ist, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche dazu dient, das Betriebssignal entweder der Heizeinrichtung oder dem Motor mit veränderbarer Geschwindigkeit zuzuführen, wodurch die

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Temperatur der geschmolzenen Masse oder die Geschwindigkeit der translatorischen Bewegung verändert werden, um den Durchmesser des Kristalls während des gesamten Ziehvorganges im wesentlichen konstant zu halten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel aus Quarz "besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel als gerader Zylinder ausgebildet ist.

¹A-. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator eine Brückenschaltung aufweist, \-jelche Widerstände enthält, x^elche für die sich verändernde Länge des Kristalls repräsentativ sind und welche für den vorgegebenen Kristalldurchmesser repräsentativ sind, und daß der veränderbare Widerstand des Tiegels und ein Abgleichwiderstand in der Brücke angeordnet sind.

5· Vorrichtung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der für die sich verändernde Länge des Kristalls repräsentative Widerstand linear abnimmt, um die Veränderung im veränderbaren Widerstand des Tiegels zu kompensieren.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, welche dazu dient, den elektrischen Strom zu liefern, und die Einrichtung, welche dazu dient, das Bezügssignal zu liefern, eine Wechselspannungsquelle enthalten.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator zusätzlich zu der Brückenschaltung eine phasenempfindliche Detektorverstärkereinrichtung aufweist.

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Q_m Vorrichtung nacli Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator zusätzlich zu der Briickenschaltung eine getrennte Verstärkereinrichtung aufweist, und zwar für das gemessene Signal und das Bezugssignal, und daß eine aus gegeneinander geschalteten Gleichrichtern bestehende Schaltungsstufe vorhanden ist.

9· Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des elektrischen Stroms und des Bezugssignals eine Gleichspannungsquelle aufweist.

10. Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiter-Einkristalls durch Ziehen des Kristalls, der mit einem Kristallkeim verbunden ist, aus einer Schmelze, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tiegel vorgesehen ist, welcher aus einem dielektrischen Material hergestellt ist und ein Volumen einer Schmelze enthält, aus welchem der Kristall zu ziehen ist, daß weiterhin eine Halterung für den Tiegel vorgesehen ist, daß weiterhin eine Heizeinrichtung vorhanden ist, um das geschmolzene Material zu erzeugen und aufzunehmen, daß weiterhin ein Ziehkopf vorgesehen ist, um den Kristallkeim und den daran angebrachten Kristall zu halten und dem Kristall während des Ziehvorganges eine translatorische Bewegung zu erteilen, daß weiterhin ein Motor mit veränderbarer Geschwindigkeit vorhanden ist, um den Ziehkopf anzutreiben, daß weiterhin eine Tiegelschaltungsanordnung vorgesehen ist, welche derart ausgebildet ist, daß ein elektrischer Strom über den Kristallkeim, den Kristall, das Volumen der Schmelze und den Tiegel fließt, so daß dadurch ein gemessenes Signal erzeugt wird, wobei der Tiegel in der Schaltung als veränderbarer Widerstand dient, dessen Wert sich mit dem Pegel des Volumens der Schmelze im Tiegel ändert, daß weiterhin eine Einrichtung mit einer programmierten Widerstandsfunktion

vorhanden ist, um ein Bezugssignal zu liefern, welches für einen vorgegebenen Kristalldurchmesser und eine vorgegebene Ziehgeschwindigkeit repräsentativ ist, daß weiterhin eine Komparatoreinrichtung vorhanden ist, um die Differenz zwischen dem gemessenen Signal und dem Bezugssignal zu bestimmen, so daß ein Betriebεsignal daraus abgeleitet werden kann, welches eine Funktion dieser Differenz ist, und daß eine Betriebskorrektureinrichtung vorgesehen ist, welche auf das Betriebssignal anspricht, um die Arbeitsweise der Torrichtung in der Weise zu steuern, daß der Kristall mit einem vorgegebenen Durchmesser erzeugt wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel aus Quarz besteht.

12* Vorrichtung nach Anspiuch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator eine Brückenschaltung aufweist, welche Widerstände enthält, welche für die sich verändernde Länge des Kristalls repräsentativ sind und welche für den vorgegebenen Kristalldurchmesser repräsentativ sind, und daß der veränderbare Widerstand des Tiegels und ein Abgleichwiderstand in der Brücke angeordnet sind.

13- Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindungseinrichtung zwischen dem Ziehkopf und dem Widerstand vorhanden ist, welcher für die sich ändernde Länge des Kristalls repräsentativ ist.

Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der für die sich verändernde Länge des Kristalls repräsentative Widerstand linear abnimmt, um die Veränderung im veränderbaren Widerstand des Tiegels zu kompensieren.

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15. Vorrichtung nach. Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebskorrektureinrichtung eine Einrichtung aufweist, welche dazu dient, das Betriebssignal zu dem Motor mit veränderbarer Geschwindigkeit zu übertragen, so daß dadurch eine Einstellung der Geschwindigkeit der translatorischen Bewegung des Ziehkopfes gewährleistet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebskorrektureinrichtung eine Einrichtung aufweist, welche dazu dient, das Betriebssignal einer Heizeinrichtung zuzuführen, so daß dadurch die Temperatur der Schmelze veränderbar ist.

17· Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung eine Hochfrequenzspule aufweist und daß die Halterung für den Tiegel aus Graphit besteht.

18. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gehäuseeinrichtung um den Tiegel herum angeordnet ist, daß weiterhin eine Halterung vorhanden ist, daß weiterhin eine Heizeinrichtung vorgesehen ist und daß ein Ziehkopf vorhanden ist und daß schließlich ein abgedichtetes Volumen vorgesehen ist, in welchem der Druck und die Temperatur steuerbar sind.

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