CH353900A - Verfahren zur Wärmebehandlung von Halbleiterkörpern - Google Patents

Description

      Verfahren        zur        Wärmebehandlung    von Halbleiterkörpern    Die Erfindung betrifft ein     Verfahren    zur Wärme  behandlung von Halbleiterkörpern, welche beispiels  weise aus Silizium,     Germanium,        AIIIBv--Verbindun-          gen    oder dergleichen bestehen.  



  Es sind verschiedene Verfahren zur Wärmebe  handlung von Halbleitermaterial, beispielsweise zur  Herstellung von     Einkristallen,    vorgeschlagen worden.  Ein solches Verfahren ist beispielsweise das Ziehen  in Tiegeln aus einer Schmelze unter Verwendung von  Keimkristallen. Es sind auch Verfahren bekannt, bei  spielsweise das Zonenschmelzen, bei denen unter  anderem mit oder auch ohne Anwendung eines Tie  gels die Umwandlung einer polykristallinen Halb  leitersubstanz zu einem einkristallinen Körper durch  geführt werden kann. Verfahren, bei denen die Ein  kristallbildung in einem Tiegel vorgenommen wird,  sind     nachteilig,    weil Verunreinigungsstoffe aus dem       Tiegelmaterial    in die Schmelze gelangen können.

    Anderseits macht es sich bei Anwendung des     tiegel-          losen        Zonenziehverfahrens    in vielen Fällen un  erwünscht bemerkbar, dass nicht der ganze Halbleiter  körper gleichmässig bzw. gleichzeitig erhitzt werden  kann. Dies kann unter Umständen zu Wachstums  störungen innerhalb des     Kristalles    führen; ausserdem  nimmt die     Einkristallbildung    eine erhebliche Zeit  dauer in     Anspruch.     



  Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Ver  fahren zu finden, mit .dessen Hilfe die     Temperung     oder sonstige Wärmebehandlung, z. B. zur Ausbil  dung von einkristallinen Körpern, so     durchgeführt     wird, dass der ganze Halbleiterkörper gleichmässig  auf Temperaturen, die unterhalb seines Schmelz  punktes, gegebenenfalls auch darüber liegen     können,     erhitzt werden kann. Nach den bisher bekanntge  wordenen Verfahren     ist    dies nicht     möglich,    weil der  Halbleiterkörper bei den hohen Temperaturen     duktil       wird und sich daher auf Grund- des Eigengewichts  verformt, z. B. verbiegt, abtropft oder abreisst.  



  Gemäss der Erfindung wird vorgeschlagen, die       Wärmebehandlung    des     Halbleiterkörpers    bei hohen  Temperaturen ohne Verwendung eines Tiegels da  durch zu ermöglichen, dass Mittel zur Erzeugung       eines    Magnetfeldes so angeordnet sind, dass eine voll  ständige oder teilweise Gewichtsbefreiung des Halb  leiterkörpers unter der Wirkung des Feldes, vorzugs  weise durch Wechselwirkung zwischen Magnetfeld  und einem den Halbleiterstab durchfliessenden Strom,       und/oder    auf     Grund    der magnetischen Eigenschaften  des Halbleiters     hervorgerufen    wird und dieser z. B.

    durch direkten Stromdurchgang und/oder mittels  elektromagnetischer Wellen und/oder durch     eine     Strahlungsheizung, vorzugsweise in einer Schutzgas  atmosphäre, auf     Temperaturen    gebracht wird, die  insbesondere nicht weit unterhalb seiner Schmelz  punktstemperatur liegen oder gegebenenfalls auch  darüber liegen können.  



  Eine beispielsweise Ausführungsform des Erfin  dungsgegenstandes wird anhand der Zeichnung nach  stehend näher erläutert.  



  In der     Fig.    1 ist eine Anordnung zur Ausübung  des     Verfahrens    gemäss der     Erfindung        gezeigt.    Der  Halbleiterkörper 4, der in der Figur die     Form    eines       langgestreckten    waagrecht angeordneten Stabes hat,  wird an seinen Enden durch die Anschlüsse 2 und 3       gehaltert.    Die Anschlüsse 2 und 3 sind ausserdem  als Kontakte für einen durch den Halbleiterkörper       fliessenden    Strom vorgesehen.

   1 stellt ein Rohr dar,  das den Halbleiterkörper umgibt und bevorzugt eine       Schutzgasatmosphäre,    beispielsweise Wasserstoff oder  Vakuum,     enthält.    Die kleinen Kreise     mit    Punkt ge  ben die Richtung des     Magnetfeldes    an, das im     Aus-          führungsbeispiel    gemäss der     Erfindung    senkrecht zur  Zeichenebene     gerichtet    sein soll.      Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Mittel  zur Erzeugung eines Magnetfeldes so angeordnet  sind, dass dieses gleichmässig längs der Achse des  Halbleiterstabes zur Wirkung kommen kann.  



  Nach dem     Biot-Savartschen    Gesetz ist die Kraft  P, die bei Einwirkung eines Magnetfeldes der  magnetischen Induktion B auf einen     stromdurch-          flossenen    Leiter der Stromstärke 1 ausgeübt wird,  durch die folgende Gleichung gegeben:  <I>P = B - 1 -</I>     10',2   <I>-</I>     10-$    (kg).    Durch die Einwirkung des Magnetfeldes auf den  stromdurchflossenen Leiter kann die Wirkung der  Schwerkraft des Halbleiterkörpers aufgehoben wer  den. Der Halbleiterkörper  schwebt  dann im Magnet  feld und ist schwerelos an den     Stromzuführungen     festgehalten.  



  Besonders     vorteilhaft    ist es, wenn das Magnet  feld 2 inhomogen in der     Schwerkraftsrichtung    ausge  bildet ist,     insbesondere,    wenn die magnetische Induk  tion Bin     Schwerkraftsrichtung,    das heisst nach unten,  zunimmt, wie     in        Fig.2    dargestellt ist, in der das  Magnetfeld 4     beispielsweise    durch zwei entgegen  gesetzte Magnetpole 1 und 2 erzeugt ist.

   Unter die  sen Umständen kann besonders leicht ohne ganz  präzise Einstellung von Strom und Magnetfeld ein  Schwebezustand des Halbleiterkörpers 3 im Magnet  feld 4 erreicht werden; er taucht eben dann so weit  in das Magnetfeld 4 ein, bis dieses stark genug ist,  um im Wechsel mit dem Strom den     Körper    3 zu  tragen ( Schwimmzustand ).  



  Eine weitere vorteilhafte     Ausbildung    des Erfin  dungsgedankens besteht darin, dass statt eines Magnet  feldes konstanter Stärke und Richtung und anstelle  eines den Halbleiterkörper durchfliessenden Gleich  stromes ein magnetisches Wechselfeld und ein  Wechselstrom vorgesehen sind, die vorzugsweise die  gleiche     Frequenz    haben, deren Phase jedoch mittels  bekannter Vorrichtungen in gewünschter     Weise     gegeneinander verschoben werden kann. Durch die  Phasendrehung lassen sich die Tragkraft gemäss dem       Biot-Savartschen    Gesetz und/oder die zur Erwär  mung notwendige Energie ganz nach Bedarf     regeln.     



  Zur Aufrechterhaltung des Schwebezustandes ist  es gemäss dem     Biot-Savartschen    Gesetz notwendig,  die magnetische Induktion des Feldes B und die  Stromstärke I des     stromdurchflossenen    Leiters so auf  einander     abzustimmen,    dass das Produkt der beiden  Grössen     konstant    bleibt. Dies kann beispielsweise  durch Verwendung     eines    dem Magnetfeld ausgesetz  ten     stromdurchflossenen        Hallgenerators    erreicht wer  den, der an den zum Strom und Magnetfeld senk  rechten Flächen eine     Hauspannung    abgibt, die dem  Produkt aus Strom und Feldstärke     proportional    ist.  



  Hat der stromdurchflossene Halbleiterkörper ge  mäss des     Temperungsverfahrens    eine gewünschte ver  hältnismässig hohe Temperatur erreicht, so muss bei  Betrieb mit Gleichstrom die Stromstärke so nach  geregelt werden, dass der Halbleiterstab auf konstan  ter Temperatur bleibt. Es stellt sich     dann    ein statio-         närer    Zustand zwischen der Energieabgabe durch       Strahlung    und/oder Wärmekonvektion einerseits und  der     Energiezuführung    durch den Strom anderseits ein.  



  Die Temperatur kann den jeweils gewünschten  Verhältnissen entsprechend beliebig eingestellt wer  den, je nach den Eigenschaften, die das Halbleiter  material erhalten soll.  



  Sehr     vorteilhaft    ist eine andere Regelvorrichtung,  die neben einem Gleichstrom für die Erhitzung des  Halbleiterkörpers noch einen Wechselstrom vorsieht.  Die Frequenz des Wechselstromes soll mindestens  so gross gewählt werden, dass die durch den Wechsel  strom im Magnetfeld hervorgerufenen Kräfte keine  störende Bewegung des Halbleiterkörpers mit bei  jeder Periode wechselnden Richtung hervorrufen kön  nen. Es kann beispielsweise ein niederfrequenter  Wechselstrom von 50 Hz zum Betrieb verwendet  werden, aber ebenso auch ein hochfrequenter Wech  selstrom.

   Je nach Energiebedarf kann für die Erhit  zung des Halbleiters dann die     Wechselstromquelle     zweckentsprechend geregelt werden, ohne dass ein  störender     Einfluss    auf die Kraft ausgeübt wird, die  gemäss dem     Biot-Savartschen    Gesetz durch Zusam  menwirken des Magnetfeldes und des Gleichstromes  am Halbleiterkörper angreift.  



  Die Anschlüsse des Halbleiterkörpers und/oder  seine Enden selbst können in bekannter Weise ge  kühlt werden, besonders um das     Eindiffundieren    von  Fremdstoffen zu verhindern.  



  Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Erfin  dungsgedankens besteht darin, dass die vorgesehene       Schutzgasatmosphäre    mit Stoffen versehen wird, die  eine gewünschte     Dotierung    des Halbleiterkörpers mit  bezüglich des Leitungstypus und/oder der Lebens  dauer den Ladungsträger bewirken.  



  In manchen Fällen ist es zweckmässig, die an die       Temperung    sich anschliessende Abkühlung des Halb  leiterkörpers sehr langsam und kontinuierlich durch  zuführen, damit beispielsweise innerhalb des     Kri-          stalles    keine grossen Spannungen auftreten, die zu  einer     Zerstörung    bzw. Fehlerhaftigkeit des Einkristall  gefüges führen könnten. Die Anschlüsse des Halb  leiters können auch so ausgebildet sein, dass der  Halbleiterkörper während des     Temperungsverfahrens     rotiert. Da der Halbleiterkörper im kalten Zustand  einen sehr hohen Widerstand aufweist, muss zur Er  wärmung eine hohe Spannung angelegt werden. Man  verwendet darin vorteilhaft einen hochfrequenten  Wechselstrom.

   Bei hinreichender Erwärmung ist die  Leitfähigkeit dann gross genug geworden, dass mit  gutem Nutzeffekt weiter mit niederfrequentem Wech  selstrom geheizt werden kann. Die kontinuierliche       Herabsezung    der Spannung im     hochfrequenten    und  niederfrequenten Bereich kann z. B. durch eine Regel  einrichtung oder durch Regelung von Hand erfolgen.  Auch ist das Verfahren nicht auf die Verwendung  einer elektrischen Stromheizung beschränkt,     sondern     es kann auch eine elektromagnetische Strahlungs  heizung und/oder eine     Korpuskularstrahlheizung    zur  Erwärmung des Halbleiterkörpers verwendet sein.

        Das     Temperungsverfahren    gemäss der Erfindung  lässt sich     besondes    vorteilhaft auch in solchen Fällen  verwenden, in denen anschliessend eine mechanische  Behandlung im erhitzten Zustand, insbesondere eine       Wärmeverformung,    des Materials vorgesehen ist. So  kann sich beispielsweise an die     Temperung        eine        Aus-          schmiedung    des Materials anschliessen, wie sie in der  Halbleitertechnologie zur Herstellung von Halbleiter  anordnungen Verwendung findet.  



  Das Verfahren und die Anordnung gemäss der  Erfindung gestatten, die Erhitzung bzw.     Temperung     von Halbleitersubstanzen in einfacher Weise nach  einem     tiegellosen    Verfahren durchzuführen. Es lässt  sich auf diesem Wege im allgemeinen sogar Ein  kristallbildung aus polykristallinem Halbleitermaterial  erreichen. Auch ist eine gewünschte Dotierung oder  mechanische Wärmebehandlung des Halbleiterkör  pers auf einfachem Wege durchzuführen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zur Wärmebehandlung von Halbleiter material, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes so angeordnet werden, dass eine wenigstens teilweise Gewichtsbefreiung des Halbleiterkörpers unter der Wirkung des Feldes be wirkt und dieser auf hohe Temperatur gebracht wird. 1I. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der stabförmige Halbleiterkörper waagrecht angeordnet ist und ausserdem eine Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes so vorgesehen ist, dass dessen Feldlinien senkrecht zur Richtung der Schwerkraft und senkrecht zur Achse des stabförmigen Halb leiterkörpers verlaufen. UNTERANSPRÜCHE 1.

   Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass eine vollständige Gewichtsbe freiung des Halbleiterkörpers durch das Magnetfeld bewirkt wird. 2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtsbefreiung durch Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld und einem den Halbleiterstab durchfliessenden elektr. Strom be wirkt wird. 3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtsbefreiung auf Grund der magnetischen Eigenschaften des Halbleitermate rials bewirkt wird. 4. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper durch direkten Stromdurchgang erhitzt wird. 5. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper mittels elektromagnetischer Wellen erhitzt wird. 6.

   Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper durch eine Strahlungsheizung erhitzt wird. 7. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper auf eine Temperatur in der Nähe des Schmelzpunktes erhitzt wird. B. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung des Halbleiter körpers, in Schutzgasatmosphäre erfolgt. 9. Verfahren nach Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzgasatmosphäre Dotie- rungssubstanzen zugesetzt werden. 10.

   Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperung des Halbleiter körpers bei Temperaturen vorgenommen wird, die nicht wesentlich unter der Schmelzpunkttemperatur liegen. 11. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass anschliessend an die Temperung eine Ausschmiedung des Halbleiterkörpers vorgenom men wird. 12. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des Halbleiter körpers sehr langsam vorgenommen wird. 13. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper während des Temperungsprozesses rotiert. 14.

   Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Anheizung des Halbleiter körpers mit hochfrequentem Wechselstrom hoher Spannung, die mit zunehmender Leitfähigkeit auf entsprechend kleinere Werte herabgesetzt wird, vor genommen wird und die weitere Erhitzung und Tem- perung mit niederfrequentem Wechselstrom niedriger Spannung, die jeweils nach der Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers auf den passenden Wert eingestellt wird, erfolgt. 15.

   Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper von einem Wechselstrom der gleichen Frequenz wie der das Magnetfeld erzeugende Strom durchflossen wird und dass ferner mittels einer Einrichtung die Phasen differenz zwischen dem das Magnetfeld erzeugenden Strom und dem Heizstrom beliebig geregelt werden kann. 16. Anordnung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld längs des. ge samten Halbleiterkörpers mit gleicher Frequenz wirk sam ist. 17. Anordnung nach Patentanspruch 1I, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld in vertikaler Richtung inhomogen ist. 18.

   Anordnung nach Unteranspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldstärke in Richtung der Schwerkraft zunimmt. 19. Anordnung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinrichtung für den durch den Halbleiterstab fliessenden Strom 1 und die magnetische Induktion (B) des Feldes vorhanden ist, dergestalt, dass die Gleichung<I>1 - B</I> = konstant er füllt ist. 20. Anordnung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper von einem Wechselstrom und ferner von einem Gleichstrom durchlossen ist, der so geregelt ist, dass der strom durchflossene Trägerkörper im Magnetfeld schwebt. 21.

   Anordnung nach Unteranspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstrom eine Frequenz von 10-100 Hz aufweist. 22. Anordnung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterungen und die Enden des Halbleiterkörpers gekühlt sind. 23. Anordnung nach Unteranspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelorgan zur Konstant haltung des Produktes<I>1. B.</I> ein Hallgenerator im Magnetfeld angeordnet ist.