DE1102103B - Verfahren zur Herstellung von Einkristallen und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung von Einkristallen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Bei bekannten Verfahren zur Herstellung von Einkristallen, die unter den Namen »Bridgeman-Methode« beschrieben worden sind, erstarrt im Schmelzti,egel zuerst der am Grund des Tiegels befindliche Teil der Schmelze. Hierbei schreitet die Erstarrungsgrenze von unten nach oben gegen die Schmelzenoberfläche hin fort. In diesem Fall ergeben sich je- doch nicht die gewünschten Kristallorientierungen, weil bei dieser Methode kein Keimkristall verwendet werden kann. Die Verwendung von Keimkristallen. die auf die Oberfläche einer Schmelze aufgesetzt und dann mit den an ihnen festhaftenden Teilen der Schmelze hochgezogen werden, sind ebenfalls bekannt und ergeben in dem ganzen, am Keimkristall anwachsenden Einkristall eine durch den Kehrkristall festgelegte Orientierung, die für die Weiterverarbeitung des Kristalls zu Halbleiterscheiben erforderlich ist. Bei der Herstellung dieser Scheiben soll nach den der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken von einem Halbleiterkristall ausgegangen werden können, der eine möglichst gleichmäßige prismatische, vorzugsweise zylindrische Gestalt hat, damit der beim Zerschneiden des Kristalls in Scheiben der für die Weiterverarbeitung notwendigen Größe entstehende Werkstoffabfall möglichst klein gehalten werden kann.
• Diese Aufgabe läßt sich gemäß der Erfindung dadurch lösen, daß bei der Herstellung des Kristalls auf die Oberfläche ,des in einem offenen Tiegel schmelzflüssig gehaltenen Halbleiterwerkstoffes ein Keimkristall aufgesetzt und in einer räumlich unveränderten Lage gegenüber dem Tiegel :gehalten wird, solange der gegen den Tiegelboden fortschreitende Erstarrungsvorgang stattfindet, wenn die zur Wärmezufuhr dienende Wärmequelle nach unten bewegt wird.
• Zweckmäßigerweise verwendet man zur Durchführung,dieses Verfahrens :einen Schmelztiegel aus hochgereinigtem Graphit, :der eine seine Wandung durchdringende Druckausgleichsbohrung aufweist, deren Durchmesser so gewählt ist, daß die Schmelze infolge ihrer Oberflächenspannung am Durchtritt durch die Bohrung gehindert wird. Ein besonders vorteilhaftes Verfahren ergibt sich, wenn gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung der Tiegel mehrere zueinander und zur Tiegelachse parallel verlaufende Längsbohrungen enthält, die .im oberen Abschnitt in eine flache weitere Bohrung übergehen. In diesem Fall entstehen nämlich gleichzeitig mehrere in ihrem Durchmesser auf ihre ganze Länge gleiche Einkristalle der gewünschten Orientierung und man benötigt jeweils nur einen einzigen Keimkristall.
• Die Erfindung ist nachstehend an Hand eines Verfahrens zur Herstellung von Germaniumeinkristallen näher erläutert. Inder Zeichnung sindverschiedene Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens dargestellt. Es zeigen Fig. 1 bis 3 Längsschnitte durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, und zwar in verschiedenen Verfahrensstufen während des Erstarrungsvorganges des Einkristalls, Fig.4 als zweites Beispiel ebenfalls im Längsschnitt eine andere Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, Fig. 5 ein drittes Beispiel für eine solche Vorrichtung im Längsschnitt und Fig. 6 einen Querschnitt nach VI-VI in Fi.g. 5. Bei dem Verfahren zur Herstellung von Einkristallen, die zur Verwendung als Gleichrichterelemente oder Verstärkergeräte (Transistoren) bestimmt sind, :dient hochgereinigtes Germanium als Ausgangswerkstoff. Die Reinigung des Germaniums kann nach bekannten Verfahren erfolgen. Zweckmäßigerweise wird das Germanium durch ein chemisches Verfahren zunächst vorgereinigt, dann durch Schmelzen in Stangenform gebracht und durch ein ebenfalls bekanntes Zonenschmelzverfahren so stark als möglich gereinigt.
• Zunächst füllt man Bruchstücke des auf diese Weise hochgereinigten Germaniums in einen Tiegel 10, wie er z. B. in Fig. 1 dargestellt ist. Dieser Tiegel ist in einem nicht dargestellten Vakuumbehälter untergebracht und besteht aus einem Bloch aus hochgereinigtem Graphit mit einer Längsbohrung 11. Eine Hochfrequenzspule 12, .die an einen nicht dargestellten Hochfrequenzgenerator angeschlossen werden kann, umschlingt den Tiegel und vermag diesen samt seinem Inhalt so stark zu erwärmen, daß das im Tiegel befindliche Germanium schmilzt. Wenn die mit 13 bezeichnete flüssige Germaniumschmelze sich gleichmäßig erwärmt hat, wird dem Germanium hochgereinigtes Antimon hinzugefügt, Nach genügender Durchmischung wird die weitere Wärmezufuhr, z. B. durch Erniedrigen des Heizstromes langsam gedrosselt, bis sich auf der Oberfläche der Schmelze die ersten Anzeichen für die beginnende Erstarrung zeigen. Dann wird ein mit 16 bezeichneter Keimkristall, der aus einem früher gezogenen Kristall in der gewünschten 1-1-1-Orientierung herausgeschnitten wurde. .derart auf die Oberfläche der Schmelze aufgesetzt, daß sich die mit der Schmelze in Berührung kommenden Teile des Kristalls in der Schmelze zu lösen beginnen. Wenn nun die Hochfrequenzspule 12, wie aus den Fig.2 und 3 ersichtlich, langsam nach unten weggezogen wird, wobei sowohl der Keimkristall als auch der Schmelztiegel ihre Lage beibehalten, so erstarrt zunächst der an der Oberfläche der Schmelze liegende Teil in einer durch die Orientierung .des Keimkristalls gegebenen Weise. Je weiter nun die Hochfrequenzspule 12 nach unten gezogen wind, um so -weiter schreitet ,die Erstarrungszonedes Kristalls gegen,den Boden des Tiegels fort, bis schließlich der gesamte Tiegelinhalt in der durch die Tiegelbohrung vorgegebenen Form erstarrt ist.
• Da Germanium in schmelzflüssigem Zustand weniger Raum einnimmt als in erstarrtem Zustand, empfiehlt es sich, im Boden oder in der Wand des Tiegels kleine, im Durchmesser sehr enge Bohrungen vorzusehen. Der in Fig.4 dargestellte Tiegel hat ein solch enges Loch; er besteht aus zwei Teilen, einem inneren, unmittelbar zur Aufnahme der Schmelze 21 bestimmten Kernstück 23 und einem Mantel 24, in den das Kernstück mit radialem Spiel eingesetzt ist. Gleichachsig zur Bohrung 25 des Kernstücks ist in dessen Boden ein Loch mit etwa 0,5 mm Durchmesser gebohrt, das in einen außen am Bodenteil ausgedrehten Sammelraum 27 mündet. Das Loch 26 muß derart eng gewählt werden, daß sich die Schmelze bei normalen Druckverhältnissen vermöge ihrer eigenen Oberflächenspannung in der Bohrung 25 hält, ohne durch das Loch 26 auszufließen. Erst wenn bei dem von oben nach unten fortschreitenden Erstarren der Schmelze infolge der dabei auftretenden Ausdehnung einerhöhter Druck auf den noch flüssigen Anteil des Tiegelinhalts ausgeübt wird, kann Germanium durch das Loch 26 ausweichen und sich im Raum 27 ansammeln, wo es dann ebenfalls erstarrt, sobald die Erstarrungsfront bis zum Boden des Kernstücks fortgeschritten ist. Durch diese Maßnahme wird verhindert, daß der in der Schmelze während .des Erstarrungsvorgangs entstehende Überdruck das Kernstück sprengt.
• Die in Fig. 5 und 6 dargestellte Tiegelform eignet sich besonders dann gut, wenn man zur Herstellung von Transistoren oder Kristallidioden Einkristalle von sehr geringem Durchmesser benötigt. Der außen zylindrisch ausgebildete Tiegel 30 enthält in seinem oberen Abschnitt eine flache, zur Tiegeliängsachse konzentrische Bohrung 31, von deren Grund sich vier im Durchmesser wesentlich kleinere Längsbohrungen 32, 33, 34 und 35 sowie eine konizentrisch zur Tiegelachse liegende fünfte Längsbohrung 36 bis in die Nähe des unteren Tiegelendes 37 erstrecken. Vom Grund jeder dieser fünf Bohrungen führt zu dem schon beim vorhergehenden Beispiel angegebenen Zweck je eine enge Bohrung 38 mit etwa 0,5 mm Durchmesser zum unteren Tiegelende 37.
• In diesem Falle haben sämtliche ,der in den fünf Bohrungen 32 bis 36 erstarrenden Einkristalle die gleiche durch den Keimkristall 39 vorgegebene Orientierung und können durch Absägen von dem in der Bohrung 31 entstandenen Kopfstück .der erstarrten Schmelze voneinander -getrennt -werden.
• Selbstverständlich kann an Stelle der beschriebenen Heizvorrichtung auch eine mit Glühdrahtwendeln ausgerüstete Heizvorrichtung vorgesehen werden, die dem Schmelztiegel von seiner Bodenseite her Wärme zuzuführen gestattet.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Herstellung von Einkristallen aus schmelzbaren Halbleiterwerkstoffen, wie Germanium, Silizium oder intermetallischen Verbindungen, bei dem der Werkstoff in einem senkrecht stehenden, an seiner oberen Stirnseite offenen Tiegel geschmolzen und die zur Wärmezufuhr dienende Wärmequelle nach unten bewegt -wird, dadurch gekennzeichnet, daß in bekannter Weise ein Keimkristall auf die Oberfläche der Schmelze aufgesetzt und während des gegen den Tiegelboden fortschreitenden Erstarrungsvorganges in einer räumlich unveränderten Lage gegenüber dem Tiegel gehalten wird.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel eine seine Wandung durchdringende Druckausgleichsbohrung (26) aufweist, deren Durchmesser so gering gewählt ist, daß die Schmelze infolge ihrer Oberflächenspannung vor der Bohrung gehalten -wird.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel aus einem zur unmittelbaren Aufnahme des Halbleiterwerkstoffes bestimmten Kernstück (23) und einem dieses mit Abstand umgebenden Mantel (24) besteht und daß ferner eine im Boden des Kernstücks des Tiegels angebrachte Bohrung (26) mit einem zwischen dem Kernstückboden und dem Mantelboden verbleibenden Zwischenraum (27) in Verbindung steht.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel mehrere zueinander und zur Tiegelachse parallel verlaufende Längsbohrungen (32 bis 36) enthält, die im oberen Abschnitt in eine flache, weitere Bohrung (31) übergehen. In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 1132 101; britische Patentschriften Nr. 234 449, 779 509; USA.-Patentschrift Nr. 2 789 039; Zeitschrift für Naturforschung (1956), Bd. 11a, S. 511; Chemistry and Industry, 1956, S. 292; Manufacturing Chemist, 1956, S. 451.