CH466237A - Verfahren und Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes - Google Patents

Description

  Verfahren und Vorrichtung zum     tiegelfreien    Zonenschmelzen eines     kristallinen    Stabes,  insbesondere Halbleiterstabes    Es ist bereits ein     Verfahren    zum Herstellen von       langgestreckten,    insbesondere     dendritischen    Halbleiter  körpern durch Ziehen aus einer bis unter den Schmelz  punkt unterkühlten, gegebenenfalls dotierten     Schmelze          bekannt.    Hierbei wird     die    mit einer     Heizvorrichtung     erwärmte Halbleiterschmelze von einem aus dem glei  chen Halbleitermaterial bestehenden Träger gehalten  und der der Ziehstelle benachbarte Teil der Schmelze  unterkühlt.

   Durch den Rezipienten wird ein neutrales,  vorzugsweise reduzierendes Gas guter Wärmeleitfähig  keit, insbesondere Wasserstoff, hindurchgeleitet. Der       Druck    des Wasserstoffes liegt über dem Atmosphären  druck. Dies ist deswegen erforderlich, um zu verhin  dern, dass durch eine im Deckel des Rezipienten be  findliche Öffnung, durch die der Dendrit gezogen wird,  atmosphärische Luft in den Rezipienten gelangt (vgl.  DAS<B>1162</B> 329).  



  Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum       tiegelfreien    Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes,  insbesondere Halbleiterstabes, in einem Rezipienten  mit einer     Schutzgasatmosphäre    aus Wasserstoff und  mit einer den Stab ringförmig umgebenden     Induktions-          heizspule.     



  Ziel der Erfindung ist es, die Vorteile, die sich  durch die Verwendung von Wasserstoff als Schutzgas  ergeben - insbesondere billige Reinigung, vorzugsweise  durch Diffusion durch Palladium oder durch Ausfrie  ren, geringe     überschlagsneigung    im     Hochfrequenzfeld     - beizubehalten. Gleichzeitig soll sichergestellt sein,       dass        möglichst    wenig     Verunreinigungen        in    den zu be  handelnden Halbleiterstab gelangen.  



  Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der vor  stehend beschriebenen Art dadurch erreicht, dass ein  hochgereinigter Wasserstoff verwendet und im Rezi  pienten     ein        Druck    eingestellt wird, der     geringer    ist als  der     Atmosphärendruck.    Mit Vorteil wird ein Wasser  stoff mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99,9 0/0  verwendet.

   Im Rezipienten wird zweckmässig ein  Druck der Wasserstoffatmosphäre zwischen 30 und  600     Torr        eingestellt.    Arbeitet man     in    dem     angeführten       Druckbereich, so ist sichergestellt, dass im     Hochfre-          quenzfeld    keine     Glimmentladung        eintritt.    Bei einem  Stab aus Silizium wird gleichzeitig ein Abdampfen von  Silizium bzw. von     Dotierungsstoff    aus der Schmelze  verhindert.

   Ausserdem ist die Gefahr der Verunreini  gung des behandelten     Halbleiterstabes    auf ein  Minimum herabgesetzt, da nur so viel Schutzgas im  Rezipienten     eingebracht    wird, als für die Erzielung der  zuerst     genannten    Vorteile erforderlich ist.  



  Weitere Einzelheiten und     Vorteile    der Erfindung  werden an einem Ausführungsbeispiel anhand der  Zeichnung näher erläutert.  



  Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung  eine Anordnung zur     Durchführung    des     erfindungsge-          mässen    Verfahrens.  



  Ein Rezipient ist mit 1 bezeichnet. Im Deckel und  im Boden des Rezipienten 1 ist je ein     Simmerring    2  und 3 vorgesehen, die eine vakuumdichte Durchfüh  rung der Antriebswellen 4 und 5 für den kristallinen  Stab 6 sicherstellen. Der kristalline Stab 6, insbeson  dere ein Halbleiterstab,     beispielsweise    aus Silizium,     ist     in Halterungen 7 und 8 gehaltert. Die     Halterungen    7  und 8 können in Richtung der     Stabachse    bewegt und  um ihre Achse gedreht werden. Die Schmelzzone 9  wird von einer     Induktionsheizspule    10, vorzugsweise  einer Ringspule mit einer Windung, erzeugt.

   Die     In-          duktionsheizspule    10 kann ortsfest sein und durch eine  Seitenwand des Rezipienten vakuumdicht hindurchge  führt sein. Die Halterung 11 der     Induktionsheizspule     10 kann als koaxiale Halterung ausgebildet sein, die  sowohl zur Zuführung des Stromes als auch des Kühl  mediums, vorzugsweise Wasser, dient. An der gegen  überliegenden Seitenwand des Rezipienten 1 ist ein  Schaufenster 12     angeordnet.    Das Wasserstoffgas ge  langt aus einem Vorratsbehälter 13 über ein Leitungs  system 14     in    den Rezipienten 1.

   Im Leitungssystem 14  befindet sich     ein        Reduzierventil    15,     ein        Absperrventil     16 sowie ein     Summendruckmesser    17. Der     Dotierungs-          stoff    gelangt aus einem Vorratsbehälter 18 über ein  Leitungssystem 19, das in das Leitungssystem 14 mün-           det    in den Rezipienten 1. Im Leitungssystem 19 befin  den sich ein     Reduzierventil    20, eine     Reduzierkammer     21 mit einem     Partialdruckmesser    22 sowie ein     Absperr-          ventil    23.

   Der im Behälter 13 befindliche Wasserstoff  ist hochrein. Verunreinigungen, wie     Stickstoff,    Sauer  stoff,     Kohlenwasserstoffe,    sowie     Kohlenmonoxid    oder  Kohlendioxid wirken sich störend auf das einkristalline  Wachstum aus. Durch Diffusion durch Palladium und/  oder durch     Ausfrieren    kann man das Wasserstoffgas  sehr leicht reinigen, so dass der Reinheitsgrad minde  stens 99,9 % beträgt.

   Auch ein Reinheitsgrad von       99,999        %        ist        leicht        zu        erreichen.        Der        Druck        im        Rezi-          pienten    1 wird auf einen Wert zwischen 30 und 600       Torr,    vorzugsweise 150     Torr,    eingestellt. Dies erfolgt  am einfachsten dadurch, dass zunächst im Rezipienten  1 ein Hochvakuum erzeugt wird.

   Anschliessend wird  die für einen bestimmten spezifischen Widerstandswert  vorbestimmte Menge eines     gasförmigen        Dotierungsstof-          fes,        beispiesweise    Phosphorwasserstoff oder Borwasser  stoff, durch die Leitung 19 in den Rezipienten 1 einge  lassen. Hierauf wird durch die Ventile 15, 16 die für  den gewünschten     Gesamtdruck    erforderliche Menge  Wasserstoff in den Rezipienten 1 eingebracht. Soll       hochohmiges    Material erzeugt werden, z.

   B. mit  1000     Ohm.cm    oder mehr, so ist es günstig, zunächst  im Hochvakuum (besser als 10-4     Torr)    ein oder meh  rere Zonenzüge durchzuführen, bis der erwünschte       Widerstandswert    erreicht ist. Anschliessend wird der  Halbleiterstab 6 in einer reinen Wasserstoffatmosphäre  ohne     Dotierungsstoff    noch ein- oder mehrfach zonen  geschmolzen. Durch die     Wasserstoffatmosphäre,    bei  spielsweise von 150     Torr,    wird     praktisch    jegliches  Abdampfen von     Dotierungsstoffen        vermieden,    so dass  der eingestellte Widerstandswert erhalten bleibt.  



  Als Wärmequelle für das     erfindungsgemässe    Ver  fahren besonders     geeignet        ist    eine     Ringspule    mit einer  einzigen Windung. Der Spannungsabfall an einer der  artigen Spule ist relativ gering, während die Strom  dichte hoch ist.  



  Vorteilhaft ist,     dass    durch den gegenüber     Atmo-          sphärendruck        erniedrigten        Druck    des     Wasserstoffgases          trotz        der    sehr guten Wärmeleitung von     Wasserstoff,     die erforderliche     Spulenleistung    verhältnismässig nied  rig ist. So ist bei einem     Druck    von 150     Torr    nur etwa  die doppelte Energie wie beim     Zonenschmelzen    im  Hochvakuum erforderlich.

      Das     erfindungsgemässe    -Verfahren kann mit beson  derem     Vorteil    auch mit Verfahrensschritten     kombiniert     werden, wie sie in den deutschen Patentschriften  <B>1128</B> 413 - Verfahren zur Herstellung von verset  zungsfreiem,     einkristallinem    Silizium durch     tiegelfreies          Zonenschmelzen    (mit     flaschenhalsförmiger    Dünnstelle)  - und<B>1218</B> 404 - Verfahren zum     tiegelfreien    Zonen  schmelzen eines kristallinen Stabes, insbesondere Halb  leiterstabes (mit seitlicher Verschiebung des wieder er  starrenden     Stabteils)    - beschrieben sind.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes, in einem Rezipienten mit einer Schutzgasatmosphäre aus Wasserstoff und mit einer den Stab ringförmig umgebenden Induktionsheizspule, dadurch gekenn zeichnet, dass ein hochgereinigter Wasserstoff verwen det wird, und dass im Rezipienten ein Druck eingestellt wird,

   der geringer ist als der Atmosphärendruck. II. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass als Indukt3onsheizspule eine Ringspule mit einer Win dung vorgesehen ist.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass ein Wasserstoff mit einem Reinheits- grad von mindestens 99,9 % verwendet wird. 2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass im Rezipienten ein Druck der Was serstoffatmosphäre zwischen 30 und 600 Torr einge stellt wird.

   3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass dem Wasserstoffgas ein gasförmiger Dotierungsstoff beigemengt wird. 4. Verfahren nach Unteranspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, dass als Dotierungsstoff Phosphorwasser stoff verwendet wird. 5. Verfahren nach Unteranspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, dass als Dotierungsstoff Borwasserstoff verwendet wird. 6.

   Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass der kristalline Stab vor der Behand lung in der Wasserstoffatmosphäre im Vakuum ein- oder mehrfach zonengeschmolzen wird.