-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ziehen von Halbleiterkristallen
aus einer in einem wenigstens teilweise stromdurchflossenen Tiegel gehalterten Halbleiterschmelze.
-
Gewöhnlich wird zum Ziehen von Halbleiterkristallen aus der Schmelze
nach Czochralski ein aus leitendem Material, wie hochreinem Graphit, bestehender
Schmelztiegel verwendet, der sich im Induktionsfeld einer ihn umgebenden Induktionsspule
auf die zum Schmelzen eines eingebrachten halbleitenden Materials und Ziehen des
Kristalls aus der Schmelze erforderliche hohe Temperatur erhitzt.
-
Nun ist die Maßnahme einer wirkungsvollen induktiven Beheizung des
Tiegels mit der Anwendung von Hochfrequenz und deshalb einem beträchtlichen technischen
Aufwand verbunden. Einfacher wäre die Anwendung einer Beheizung, bei der der Heizstrom
unmittelbar dem Elektrizitätsnetz entnommen und an die Tiegelwand kontaktierenden
Elektroden gelegt werden könnte.
-
Ein bekanntes Verfahren dieser Art zum Schmelzen von Metallen und
Metallegierungen durch elektrische Widerstandsbeheizung, bei der der Spannungsabfall
ausschließlich in einer elektrisch leitenden Schlackenschicht erfolgt, sieht vor,
daß das Schmelz-Bei gut oberhalb einem solchen der Schlackenschicht Verfahren wird
jedoch geschmolzen nur ein wird Teil '
der die Schmelze umgebenden Begrenzung
vom elektrischen Strom durchflossen, so daß die Aufheizung der Schmelze ungleichmäßig
wird. Außerdem bedeutet die Anwesenheit einer solchen Schlacke eine Gefahr für ein
störungsfreies, einkristallines Wachstum des zu ziehenden Kristalls, weil sich leicht
Partikel einer solchen Schlacke loslösen und in der Schmelze als Störkeime wirken
können.
-
Zur Vermeidung dieser Nachteile und im Interesse der Erzielun- eines
noch höheren Wirlun2sLrades der Beheizung ist bei einer Anordnung gemäß der Erflndung
vorgesehen, daß die überall stromdurchflossene, gegen die Schmelze elektrisch isolierte
Tiegelwand aus mindestens zwei als Heizelemente ausgebildeten, das Schmelzgut aufnehmenden,
eine Mulde bildenden Teilen besteht, die hintereinander und/oder parallel geschaltet
leitend mit den Polen einer Stromquelle verbunden sind.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also im Gegensatz zum bekannten
die Tiegelwand ganz vom Strom durchflossen, von der Schmelze elektrisch isoliert
und auch in mehrere Sektoren geteilt, die als Heizelemente ausgebildet sind und
eine gute Heizwirkung trotz ihres relativ geringen spezifischen Widerstandes ergeben.
-
Die Erfindung soll an Hand der F i g. 1 und 2 näher beschrieben
werden, wobei in F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform
und in F i g. 2 ein Meridianschnitt einer anderen Ausführungsforin einer
Vorrichtung zum Schmelzen eines Halbleiters entsprechend der Lehre der Erfindung
dargestellt ist.
-
Bei der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung wird das Schmelzgut
von einem z. B. aus Quarz oder ähnlichem Stoff bestehenden muldenförmigen Einsatz
1
aufgenommen. Dieser muldenförmige Einsatz wird von den stromführenden leitenden
Teilen 2 getragen und kann gegebenenfalls mit deren Oberfläche in Form eines Überzuges
fest verbunden sein. In diesem Fall kann die Isolierschicht so dünn sein, daß sie
allein nicht in der Lage ist, bei der Schmelztemperatur die Schmelze zu tragen.
Die Leitergebilde 2 sind »U«-förmig gestaltet, so daß sie einen meridionalen Schlitz
2 b zwischen ihren Schenkeln aufweisen, und konzentrisch zur Achse des isolierenden
Einsatzes 1
derart angeordnet, daß sie den Einsatz tragen. Die 6 Leitergebilde
2 bilden, in der aus der F i g. 1 ersichtlichen Weise zusammengesetzt, in
ihrem oberen Teil 2 a eine tiegelartige Mulde, deren Wand durch 6 meridionale
Schlitze aufgeteilt ist. Diese Teile 2 bilden den leitenden Tiegel, der wie im Beispielsfalle
noch einen isolierenden Einsatz 1 aufnehmen kann. Wie aus F i g. 1
ferner ersichtlich, sind die leitenden Teile 2 durch elektrische Leitungen
3 hintereinander geschaltet und werden von einer Stromquelle 4 gespeist.
Die in F i g. 1 dargestellte Ausgestaltung der leitenden Teile 2 führt dazu,
daß die Flußrichtung des Stromes in der leitenden Tiegelwand in erheblichem Ausmaß
in den Meridianebenen der Tiegelwandung fließt, so daß die Magnetfelder in der Schmelze
von denen der induktiven Beheizung der bekannten Tiegel merklich verschieden sind.
Da man einem solchen Leitergebilde eine beliebige Dicke und damit eine beliebige
Widerstandsverteilung geben kann, ist es möglich, Temperaturverteilungen zu schaffen,
die mit Hochfrequenzheizung nicht möglich sind. Der isolierende Einsatztiegel wird,
um unnötige Wärmeverluste zu vermeiden, möglichst dünnwandig gewählt. Das gleiche
gilt für eine auf der leitenden Tiegelwand (d. h. den Teilen 2) festhaftenden
Isolierschicht. Falls das Material der leitenden Teile oder deren Oberfläche gegen
das halbleitende Schmelzgut und umgekehrt genügend resistent ist, so kann auf den
Einsatz 1 bzw. auf eine ihm entsprechende Schutzschicht verzichtet werden.
Die Schlitze in der Wand des Schmelztiegels brauchen dann, wenn die Schlitze genügend
schmal bemessen sind, nicht unbedingt abgedichtet werden. Für eine solche Abdichtung
kommt natürlich nur reines, isolierendes Material in Betracht, welches, wie auch
die anderen Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung, nicht zu einer Verunreinigung
des Halbleiters führen dürfen. Ein solcher Dichtungsstoff kann auch als isolierender
Kitt dienen, der die leitenden, stromdurchflossenen Teile zu einem Tiegel zusammenhält.
-
Eine andere Ausführungsforrn ist in F i g. 2 dargestellt. Der
die Schmelze 6 aufnehmende isolierende Einsatz 1 wird in seinem zentralen
Teil von einer Stütze 5 getragen, während die vom Heizstrom durchflossenen,
leitenden T -eile 2 den Tiegel nur an seinen Randteilen stützen. Die den leitenden
Tiegel bildenden Teile haben im Gegensatz zur Anordnung nach F i g. 1 nicht
nebeneinander angeordnete, sondern radial hintereinander angeordnete Schenkel, was
im Interesse der Reduktion des radialen Wärmeflusses und damit einer Vergleichmäßigung
der Temperatur an der Ziehstelle günstig ist. Die der Stromzufuhr dienenden Teile
sind in F i g. 2 nicht gezeigt. Die Teile 2 können zu diesem Zwecke sowohl
parallel-oder hintereinandergeschaltet mit einer Stromquelle verbunden werden.
-
Es ist auch möglich, die in F i g. 2 angedeuteten Sektoren
2 nahezu bis zur Mitte zu führen, so daß die mittlere Stütze 5 wegfallen
kann.
-
Da die Temperatur mit der Stromdichte anwächst kann durch entsprechende
Variation des stromdurchflossenen Querschnittes an einzelnen Stellen der Tiegelwand
eine gegenüber dem übrigen Teil der
Tiegelwand stark unterschiedliche
Temperatur erzeugt werden. Das gleiche ist der Fall, wenn bei Verwendung eines Einsatztiegels
1 die stromführenden Teile den Einsatz nur stellenweise berühren. Bei einer
Anordnung nach F i g. 2 ist dementsprechend der mit dem (unbeheizten) Stützglied
5 in Berührung stehende Teil des Einsatztiegels 1 und damit die angrenzende
Schmelze erheblich kühler als die den Berührungsstellen des Einsatzes
1 und den leitenden Teilen 2 benachbarte Schmelze. Eine große Anzahl von
mit schmalen Schlitzbreiten nebeneinander angeordneten Teilen 2 führt zu einer besonders
intensiven Aufheizung. Andererseits kann man durch äußere Nebenschlüsse, die nach
Art von Shunts die leitenden Teile 2 überbrücken, das Temperaturfeld in der Schmelze
weiter beeinflussen.
-
Da man einen solchen Tiegel meist aus Graphit herstellt und zur Erreichung
einer genügenden Festigkeit die Wandstärke nicht zu dünn wählen darf, ist der Widerstand
eines solchen Segmentes relativ klein. Durch eine Aufteilung in viele Segmente,
die man hintereinanderschalten kann, ist es möglich, einen genügend hohen Widerstand
des gesamten Tiegels zu schaffen, so daß bei vorgegebener Heizleistung der benötigte
Strom klein bleiben kann. Bei höheren Heizströmen macht die Zuleitung dieser Ströme
Schwierigkeiten.
-
Die leitenden Teile 2 des Tieuels können aus entsprechend temperaturbeständigem
Metall, aus halbleitendem Heizwiderstandsmaterial oder aus Kohle, z. B. aus Graphit,
bestehen. Die verbindenden Leitungen 3 können durch getreiinte, eventuell
gekühlte Bügel aus Metall oder Kohle bestehen. Solche aus sektorartigen aneinandergesetzten
Teilen bestehende Schmelztiegel können auf verschiedene Weise hergestellt werden.
Man formt (z. B. mittels einer Drehbank) einen kompakten, aus leitendem Material
bestehenden Tiegel, z. B. einen Tiegel, dessen Mulde der Außenfläche des zu verwendenden
Einsatzes angepaßt ist, und zersägt diesen in Sektoren, die dann mittels einer Führung
oder Halterung (meist aus Isolierstoff) unter Beachtung der nötigen Isolation wieder
zusammengesetzt werden. Beim Bruch eines solchen Tiegels kann man die Sektoren einzeln
austauschen.
-
Der durch direkten Stromdurchgang, insbesondere einer Gleichstrom-
oder einer niederfrequenten Wechselstromquelle, bringt im Vergleich zu einer Hochfrequenzbeheizung
oder zur Heizung mittels einer stromdurchflossenen Graphitspirale eine erhebliche
Energieerspamis. Experimente zeigten, daß mit einem gemäß der Erfindung hergestellten
Tiegel mehr als 50% Energie eingespart werden konnten. Außerdem braucht der Sektorentiegel
nur bis etwas über den Schmelzpunkt des Schmelzgutes erwärmt werden, während eine
Graphitheizspirale, um den inneren Tiegel durch Strahlung heizen zu können, wesentlich
höher als die Schmelztemperatur des Schmelzgutes erhitzt werden muß. Daher können
leicht Verunreinigungen aus dieser Spirale in die ältere Schmelze dampfen.