DD232314A5

DD232314A5 - Verfahren zur herstellung von kristallen von stoffen fuer die elektronische industrie

Info

Publication number: DD232314A5
Application number: DD84266690A
Authority: DD
Inventors: Marek Jablonski; Bogdan Kwapisz; Andrzej Proniewicz; Joanna Stepniewska-Jarzebska; Jerzy T Czeslaw
Original assignee: Inst Tech Material Elekt
Priority date: 1983-08-30
Filing date: 1984-08-28
Publication date: 1986-01-22
Also published as: DE3431782A1; PL139601B1; JPS6071594A; GB2145638A; GB2145638B; GB8419482D0; PL243556A1; US4662982A

Abstract

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Kristallen von Stoffen fuer die elektronische Industrie durch die Methode des Ausziehens des Kristalls aus der fluessigen Phase in Vorrichtungen zur Monokristallisation unter Verwendung einer zusaetzlichen Instrumentierung, die sich in dem Innenraum der Kammer zur Monokristallisation befindet. Das Wesen der Erfindung besteht in der Durchfuehrung eines Kristallisationsprozesses in Vielfachform, unter Anwendung mehr als einer oder vieler Kristallisationskeime, angebracht in der Kammer zur Monokristallisation, wobei die Aenderung der Lokalisierung der Keime mit Hilfe von Manipulatoren erfolgt, die von ausserhalb der Druckkammer und durch Ausnutzung von Daumen installiert in dem Innenraum der Druckkammer gesteuert werden.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Der Gegenstand der Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung von Kristallen von Stoffen für die elektronische Industrie. . Die Erfindung findet besonders günstige Anwendung in der Monokristallisation von Stoffen für die elektronische Industrie. Das betrifft vor allem die Halbleiterverbindungen der Gruppe Am-Bv. Die Erfindung kann aber auch bei der Herstellung anderer Stoffe Anwendung finden, die durch die Czochralski-Methode hergestellt werden, um sie in der elektronischen Industrie anzuwenden, beispielsweise bei der Herstellung von Siliziummonokristallen.

Der Bereich der Anwendung der Verbindungen der Gruppe Am-Bv ist sehr breit und umfaßt die Luminiszenzdioden sowohl für das sichtbare Licht als auch für das Ultrarot, Gun-Dioden, Mikrowellengeneratoren, Halbleiterlaser und Modulatoren für Laserlicht und Elemente und elektronische Systeme mit verschiedener Integrationsskala.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Im Zusammenhang damit besteht der immer steigende Bedarf an volumengroßen Monokristallen für die elektronische Industrie mit bestimmtem Qualitätsstandard, wobei die Kosten ihrer Herstellung gleichzeitig reduziert werden sollen. Unter der Reihe der Herstellungsmethoden der Kristallisation von Halbleiterstoffen spielt die leitende Rolle die bekannte und allgemein angewandte Czochralski-Methode, d. h. die Methode, die darin besteht, daß man das Kristallwachstum durch Ausziehen aus der flüssigen Phase gewinnt. Das Einsatzgut des Monokristallisationsprozesses kann realisiert sein mit einer separaten Vorrichtung, mit den Methoden: Bridgeman's gradient freeze oder zonale induktive Erwärmung. Diese Methoden sind von unbedeutender Wirksamkeit und aus den folgenden Ursachen nicht ökonomisch effektiv:

— Notwendigkeit der Verwendung von zwei separaten Vorrichtungen in dem komplexen Zyklus der Herstellung der Monokristalle,

— nur partielle Ausnutzung des Tiegelrauminhalts für die Monokristallisation, was sich aus dem Koeffizienten der Packung des Polykristalls ergibt, das ergibt sich auch aus dem Unterschied der spezifischen Gewichte der Stoffe in der festen und flüssigen Phase.

Die britische Patentbeschreibung Nr. 1 330914 beschreibt eine Möglichkeit der Durchführung der Synthese der Halbleiterverbindungen der Gruppe Am-Bv und An-B_Vi nach dem folgenden Verfahren:

— die Stoffe, die durch die Synthese geprüft werden sollen, werden an den Quarztiegel angebracht, in einer Druckvorrichtung für die Monokristallisation und sie werden mit dem hermetisierenden Stoff überdeckt zum Beispiel mit Bortrioxid B2O3;

— nach Abschluß der Vorrichtung verschmilzt man die Stoffe unter Hochdruck und bei einer Temperatur, die die Verbindungstemperatur übersteigt;

— nach Gewinnung des homogenen, geschmolzenen Einsatzgutes, unter der Schicht des hermetisierenden Stoffes, wird der Monokristallisationsprozeß geführt.

Die polnische Patentbeschreibung Nr. 67584 stellt eine andere Methode der Synthese der Halbleiterverbindungen in Vorrichtungen zur Monokristallisation dar, als das britische Patent Nr. 1330914. Der Unterschied besteht darin:

— ein Bestandteil-metallisch-wird in den Quarztiegel angebracht zur Monokristallisation mit dem hermetisierenden Stoffbeispielsweise B2O3;

— der zweite der Bestandteile-mit einem hohen Dampfdruck — wird in der Quarzampulle über den Tiegel angebracht;

— nach Abschluß der Kammer der Vorrichtung zur Monokristallisation wird diese leergepumpt und mit dem inerten Gas gefüllt, zum Beispiel mit Argon und der Bestandteil mit dem hermetisierbaren Stoff im Tiegel verschmo/zen;

— nach dem Verschmelzen der Bestandteile im Tiegel wird die Düse der Quarzampulle bis zum Volumen des verschmolzenen Bestandteils im Tiegel unter der verschmolzenen Schicht des hermetisierenden Bestandteils getaucht und die Dämpfe des Bestandteils aus der Ampulle in ihn eingespritzt;

— nach Beendigung des Prozesses der Synthese der beiden Bestandteile wird die Ampulle von dem Tiegel entfernt und der Prozeß der Monokristallisation realisiert.

Die bekannten und angewandten Verfahren der Durchführung der Synthese haben einen wesentlichen Fortschritt auf diesem Gebiet der Technik der Herste! lung von Stoffen für die elektronische Industrie eingeführt,.aber sie haben auch Ungelegenheiten, die eine optimal günstige Erzielung des Endresultats ausschließen, das darin besteht, daß man einen in seiner inneren Struktur homogenen Monokristall erhält, der als Stoff gilt, den man für die weiteren Arbeiten in der elektronischen Industrie gebrauchen

Eine der Ungelegenheiten der obengenannten Verfahren der Gewinnung der Stoffe für die Elektronik sind die im Verlaufe der durchgeführten Synthese entstehenden Verunreinigungen in Gestalt fester Fremdstoffe, die, in die innere Masse des

iergestellten Kristalls übergehend, die Entstehung eines Poly- anstatt des erwünschten Monokristalls verursachen. )ie Vorrichtungen zur Monokristallisation der Stoffe für die elektronische Industrie durch die Czochralski-Methode bestehen im !!gemeinen aus der Arbeitskammer, dem System der mechanischen Antriebe, dem Vakuum-Gassystem und dem System der Steuerung mit dem Prozeß.

)as Repräsentationsbeispiel für die Vielzahl der Konstruktionslösungen ist die Vorrichtung, die in der britischen 'atentbeschreibung Nr. 1322582 dargestellt ist. In der Kammer in ihrem Unterteil ist ein angeheizter Tiegel vorhanden, in den las Einsatzgut zur Monokristallisation eingebracht wird. In der Kammer wird ein Oberdorn vertikal in der Achse dieser Kammer orgeschoben, an dem an einem Halter ein Kristallisationskeim befestigt ist. Dem Tiegel und dem Oberdorn wird eine vertikale ind drehende Bewegung durch eine Außensteuerung verliehen. Am Ende des Keimes wird ein Kristall hergestellt mit lestimmten und beschränkten Baumassen. Nach Beendigung des Kristallisationsprozesses wird die Temperatur des nnenraums der Kammer verringert, der Druck wird auf den Wert des Außendrucks verringert, der Kristall wird herausgenommen ind die Vorbereitungsarbeiten für den nächsten Prozeß werden ausgeführt. Die in der obengenannten britischen Patentschrift Jr. 1322852 dargestellte Methode ist arbeits- und energieaufwendig und folglich nicht ökonomisch.

üel der Erfindung

'.\e\ der Erfindung ist es, den hohen Arbeitsaufwand und den Energieverbrauch zu verringern.

)arlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Monokristallisation zu schaffen, das die Vorzüge der gleichzeitigen Synthese der /lonokristallisation ausnutzend, eine erhebliche Verbesserung des Prozesses und eine Begrenzung der Totzeit für die Vorrichtung zur Monokristallisation ermöglicht, d. h. eine maximale Abkürzung der Zeit, die zur Vorbereitung des /lonokristallisationsprozesses unentbehrlich ist.

)iese Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Ausführung in einem Kristallisationsprozeß in einer Mehrfachtechnik durch Anwendung von mehr als einem oder von vielen monokristallinen Keimen, angebracht in der Kammer der Vorrichtung zur i/Ionokristaliisation und durch die Änderung der Lokalisierung der Keime, der Gehänge, der Monokristalle oder/und der Berinnsel der Verunreinigungen, die in der Phase der Schmelzung des Einsatzgutes entstehen, unter Ausnutzung von nnerkammermanipulatoren, gesteuert von außerhalb des Innenraumes der Kristallisierungskammer. )as Verfahren der Erfindung besteht darin, daß nach Beginn der Phase der Monokristallisation im Falle des Schwundes der ^:ehlerfreiheit, die sprunghafte übermäßige Kühlung der Fläche des Einsatzgutes erzwungen wird, was eine Entstehung eines )latten Gerinnsels zur Folge hat, das die Verunreinigungen abfängt; demnach trägt man den Keim mit dem Gerinnsel in dem sleutralteil der Kammer über. Mit Hilfe des zweiten Keimes wird das Ausziehen des Monokristalls begonnen und nach seiner Gewinnung trägt man ihn in den Neutralteil der Kammer über. Der folgende Keim beginnt den sukzessiven Prozeß der Monokristallisation, soviel Monokristalle gewinnend, wieviel Keime nach Abschluß des Nehmens des Gerinnsels aus der lüssigen Fläche des kristallinen Einsatzgutes verbleiben.

)as Verfahren nach der Erfindung ermöglicht eine Durchführung der mehrfachen Monokristallisation aus demselben Einsatzgut m Tiegel bis zu seinem kompletten Ausschöpfen durch Übergang in den festen monokristallinen Zustand. Die Vorzüge der Realisierung des Verfahrens nach der Erfindung bestehen darin, daß das Sammeln der Verunreinigungen aus ier Fläche der verschmolzenen Flüssigkeit des Einsatzgutes die Monokristallisation ermöglicht ohne Störungen der Struktur des Monokristalls durch Fremdstoffe und auch darin, daß in der typischen Vorrichtung eine größere Ausfüllung des Standardtiegels :ur Monokristallisation erfolgen oder ein Tiegel mit gesteigertem Volumen angewendet werden kann, was eine Verringerung der Einzelkosten der Herstellung der Monokristalle der Stoffe für die elektronische Industrie zur Folge hat. Das Verfahren der Herstellung von Monokristallen nach der Erfindung wird realisiert durch Einsatz zusätzlicher Vorrichtungen von nnenkammermanipulatoren, gesteuert von außerhalb der Kristallisierungskammer.

\usführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher srläutert werden. Es zeigen:

^:ig. 1: die Kristallisierungskammer mit den Manipulatoren und hergestellten Monokristallen und mit dem polykristallinen Gerinnsel mit den Verunreinigungen;

^:ig.2: das Verfahren der Funktion der Manipulatoren in dem Winkelsystem im Verhältnis zum Oberdorn; ⁼ig.3: die Funktion der Manipulatoren, die die geradlinigen und Drehbewegungen ausführen.

η Fig. 1 wird in der Druckkammer 1 in der Achse der Kammer der Oberdorn 2 angebracht, von außen gesteuert, Hub-Senk- und Drehbewegungen ausführend. Am Ende des Dorns 2 wird der Haupthalter 5 angebracht mit dem Keim 4 zur Herstellung des Hauptkristails 5. In der Kammer 1 sind zwei Manipulatoren 6 und 7 an dem Winkel zur Achse des Oberdorns installiert, die von außen gesteuert werden. Die Stoßstangen der Manipulatoren 6 und 7 führen geradlinige Bewegungen aus und die Arme der Manipulatoren führen Bewegungen im Bogen aus. Der Manipulator 6 ermöglicht die zusätzliche Monokristallisation. In der Anfangsphase des Prozesses wird an dem Haupthaüer 3 der zusätzliche Halter 8 mit dem Keim 9 aufge'-.ängt. An dem Arm des Manipulators 6 wird der zusätzliche Halter 10 angebracht mit dem Keim 11 zur Herstellung des zusätzlichen Kristalls. Der Arm des Manipulators 7 ist frei.

Die Arme der beiden Manipulatoren ziehen sich in die äußerste Oberlage zurück. Nach Verschmelzen des Einsatzes im Tiegel wird der Oberdorn 2 nach unten abgesenkt und am Ende des Keims sammelt sich die Verunreinigung in Gestalt eines platten Gerinnsels 12. Danach wird der Oberdorn 2 mit dem Gerinnsel 12 gehoben. Der Arm des Manipulators 7 wird gesenkt und das Gerinnsel mit den Verunreinigungen 12 wird mit dem Keim 9 und mit dem zusätzlichen Halter 8 abgenommen und sie werden in die neutrale Lage geschoben. Der Reihe nach wird der Arm des Manipulators 6 gesenkt, um an dem Halter 3 an dem Oberdorn 2 den zusätzlichen Halter 10 mit dem Keim 11 des Manipulators 6 aufzuhängen zur Herstellung des zusätzlichen Kristalls aufzuhängen. Nach Zurückziehung des Armes des Manipulators 6 wird der Oberdorn 2 nach unten gesenkt und an dem Keim 11, der von dem Manipulator 6 getragen wurde, wird der zusätzliche Kristall 13 hergestellt. Der Oberdorn 2 wird mit dem zusätzlichen Kristall 13 gehoben und der Arm des Manipulators 6 wird gesenkt und er nimmt den zusätzlichen Kristall 13 mit dem Keim 11 und dem zusätzlichen Halter 10 weg, um sie in die neutrale Lage zu schieben. In der Endphase des Prozesses wird der Oberdorn 2 gesenkt und am Ende des Keimes 4 wird der Hauptkristall 5 hergestellt. In der Kammer 1 der Vorrichtung sind spezielle Daumen 14 installiert, an denen sowohl der zusätzliche Halter mit dem entsprechenden Keim als auch als der zusätzliche Halter mit dem

Keim und dem Gerinnsel mit den Verunreinigungen oder der zusätzliche Halter mit dem Keim und dem zusätzlichen Kristall aufgehängt werden. In der Kammer sind einer oder mehrere Innenkammermanipulatoren angebracht. Die Arme der Manipulatoren hängen die zusätzlichen Halter mit den Keimen und dem eventuellen Gerinnsel oder dem dargestellten Kristall sowohl von dem Haupthalter, der an dem Oberdorn angebracht ist, als auch von den Daumen 14, die in den neutralen Zonen des Innenraumes der Druckkammer 1 verteilt sind, auf oder nehmen sie ab.

Das Verfahren der Erfindung wird realisiert durch die Unterbringung von drei Keimen zur Monokristal I isation und des Tiegels zur Verschmelzung der Ausgangsstoffe zur Monokristallisation in der Kammer der Vorrichtung zur Monokristallisation. Im Tiegel werden 810g Gallium, 890g Arsen und 185g Bortrioxid vorgesehen. Nach Abschluß der Kammer und Abpumpen der Luft wird sie mit dem inerten Gas gefüllt-beispielsweise mit Argon bis zum Druck von ungefähr 40 At. und die Synthese des Galliumarsenids GaAS wird durch Verschmelzen der Ausgangsstoffe durchgeführt. Nach Erhalt des verschmolzenen Polykristalls unter der Schicht des verschmolzenen B₂O₃ bestimmt man die Temperaturbedingungen und den Druck, charakteristisch für den Prozeß der Monokristallisation. Der an dem Oberdorn aufgehängte Keim wird abgesenkt zum Kontakt mit der Fläche des Einsatzes und darauf wird sprunghaft oberflächlich der Einsatz unterkühlt. Das im Resultat der Temperatursenkung des Einsatzes entstehende Gerinnsel GaAs fängt die nach dem Prozeß der Synthese übrigen nicht verschmolzenen Fremdstoffe ein. Darauf wird der Keim mit einer raschen Verschiebung mit dem Gerinnsel vom Gewicht ungefähr von 10-15g über die Fläche des B2O3 gehoben und erwird von der Fläche des Tiegels entfernt. Im Tiegel befinden sich ca. 1685 bis 1 690g des verschmolzenen Polykristalls. Nach Wiederherstellung der Bedingungen der Temperatur und des Drucks charakteristisch für den Prozeß der Monokristallisation wird der Prozeß der Monokristallisation unter Ausnutzung des zweiten Keimes durchgeführt, der an dem Oberdorn der Vorrichtung aufgehängt wird.

Nach Gewinnung eines Monokristalls mit dem Durchmesser 40 bis 45mm und einem Gewicht von ungefähr 700g wird er mit dem Kegel abgeschlossen und nach Aufheben über die Schicht B₂O₃ wird er in den neutralen Raum der Kammer geführt. Im Tiegel bleibt ungefähr 980g Polykristall. Durch den Einsatz des dritten Keimes, der an dem Oberdorn der Vorrichtung aufgehängt wird, führt man den nächsten Prozeß der Monokristallisation durch, um den Monokristall zu gewinnen, dessen Durchmesser bis 45mm und dessen Gewicht ca. 960g ist, und der mit einem Kegel endet.

Im Tiegel gibt es einen Resides Einsatzes mit einem Gewicht von ca. 20g. Derauf diese Art und Weise geführte Prozeß läßt die Herstellung von mehr als einem Monokristall GaAs zu, dank der Anwendung der zusätzlichen Vorrichtung, d.h. des Innenkammermanipulators, der die Führung des Verfahrens der Gewinnung der Kristalle für die elektronische Industrie in Übereinstimmung mit dem Wesen der Erfindung erlaubt. Die Gewinnung der größeren Anzahl von Monokristallen als zwei in einem Kristallisierungsprozeß kann ausgeführt werden, wenn eine entsprechende Anzahl von Keimen im Innenraum der Kristallisierungskammer angebracht werden kann und das Volumen des Tiegels zum Verschmelzen der Ausgangsstoffe entsprechend groß ist.

Das Verfahren zur Herstellung von Kristallen von Stoffen für die elektronische Industrie nach der Erfindung sichert erhebliche energetische Einsparungen, begrenzt in beträchtlicher Masse die Zeit der Herstellung des Endproduktes des Kristallisationsprozesses und vergrößert die Einzelgewinnungen in den Prozessen der Herstellung der elektronischen Stoffe. Die Erfindung findet im großen Maßstab Anwendung in der elektronischen Industrie überall dort, wo die Monokristalle für die Elektronik hergestellt werden.

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Verfahren zur Herstellung von Kristallen von Stoffen für die elektronische Industrie durch die Czochralski-Methode, bestehend in dem Ausziehen der Kristalle aus der flüssigen Phase, entstanden als Resultat der thermischen Wirkung im Tiegel mit dem Einsatz der Ausgangsstoffe unter Verwendung der mechanischen vertikalen Bewegungen des Keimes, die das Anwachsen des Kristalls sichert und einer Drehbewegung zur Gewinnung seiner Homogenität, gekennzeichnet dadurch, daß ein technologischer Kristallisationsprozeß in Vielfachform sukzessiv angewandt wird und einer von vielen monokristallinen Keimen verwendet wird, der an Haltern aufgehängt ist, die in den sukzessiven Operationen an dem Hauptdorn befestigt werden und mit den Armen der Manipulatoren nach dem Schmelzen des Einsatzes im Tiegel der Druckkammer und Beseitigung des flüssigen Einsatzes der Verunreinigung von der Fläche adhärierend an dem Keim mit dem Manipulator zu einem von den Daumen verlagert werden und daß der Monokristallisationsprozeß an einem von den freien Keimen durchgeführt wird, indem man den Monokristall herstellt, ihn zum Daumen verlagert, der nachfolgenden freien Keim an dem Hauptdorn aufhängt und den nachfolgenden Monokristall gewinnt.

2. Verfahren nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß die Änderungen der Aufhängung der Daumen mit den Keimen, das Abnehmen und Aufhängen der Gerinnsel der Postkristallisationsverunreinigungen und der hergestellten Monokristalle an dem Daumen mit Manipulatoren durchgeführt werden, die von außerhalb der Kristallisierungskammer gesteuert werden.

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3 Seiten Zeichnung