Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleiterstoffen Zur Gewinnung eines kristallinen Stoffes höch ster Reinheit oder zur Herstellung von Einkristallen aus solchem Stoff, insbesondere aus Halbleiterstoff wie Germanium, Silizium oder einer Verbindung von Elementen der III. und V.
Gruppe bzw. der Il. und VI. Gruppe des Periodischen Systems, kön nen bekanntlich stabförmige Körper dieses Stof fes mittels des tiegelfreien Zonenschmelzverfahrens zwecks Erhöhung des Reinheitsgrades oder zur Er zielung einer einkristallinen Struktur weiterbehan delt werden. Dabei wird jeweils nur ein kleiner Teil des Halbleiterstabes mittels eines Ringheizkörpers zum Schmelzen gebracht und der Heizkörper relativ zum Halbleiterstab in dessen Längsrichtung bewegt, so dass die flüssige Zone durch das Material der Länge nach hindurchwandert.
Es ist weiter bekannt, zum Schmelzen von Halbleitermaterial das Verfah ren der induktiven Erhitzung anzuwenden. Weil aber die Leitfähigkeit der Halbleiterstoffe bei normaler Temperatur nicht dazu ausreicht, die zur Erhitzung erforderlichen Induktionsströme entstehen zu las sen, so war man auf die Mitwirkung anderer Mittel angewiesen, beispielsweise eines Ringheizkörpers aus Metall oder Kohle, der durch Widerstandserhitzung oder durch induktive Erhitzung zum Glühen ge bracht wird und seine Wärme durch Strahlung auf den Halbleiter überträgt. Durch den glühenden Fremdkörper wird aber die Gefahr der Verunreini gung des Halbleitermaterials verursacht. Diese Gefahr wird mit der Erfindung vermieden.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines aus einem Halbleiterstoff bestehenden, aufrecht gehalterten Stabes mittels induktiver Beheizung unter Mitwir kung eines zusätzlichen wärmeabgebenden Körpers und besteht darin, dass ein zusätzlicher Körper erhitzt wird, der Wärme auf eine Zone des Halbleiterstabes überträgt, so dass diese Zone vorgewärmt und elek trisch leitend wird, worauf von dieser Zone aus eine Induktionsspule, innerhalb welcher als einziger Leiter die erhitzte Stabzone dem Hochfrequenzfeld ausgesetzt wird,
koaxial zum Halbleiterstab in dessen Längsrichtung bewegt und so diese Stabzone während ihrer Wanderung durch den Halbleiterstab ausschliess lich durch in ihr selbst induktiv erzeugten elektri schen Strom beheizt wird.
Die Erfindung sei beispielsweise erläutert an Hand der Zeichnung, welche eine bevorzugte Vor richtung zur Durchführung des neuen Verfahrens zeigt. Mit Hilfe einer solchen Einrichtung können vorzugsweise Siliziumstäbe nach dem tiegelfreien Zonenziehverfahren behandelt werden. Der Halb leiterstab 2 ist hierbei in ein Quarzrohr 4 einge schlossen und zweckmässig in senkrechter Stellung zwischen zwei Halterungen 18 und 19 eingespannt, die an den Enden von Wellen 20 und 21 sitzen.
Die Welle 20 ist durch die untere Fassung 22 für das Quarzrohr 4 vakuumdicht hindurchgeführt und so wohl drehbar als auch unabhängig davon in Achs richtung verschiebbar, ebenso die Welle 21, die durch die obere Fassung 22 hindurchgeführt ist. An den Fassungen 22 befinden sich Stutzen 25, durch welche der Innenraum der Einrichtung luftleer gemacht oder mit Schutzgas gefüllt werden kann. Das Ganze ruht auf einer Platte 24 und einem Gestell 23.
Auf ihm ist auch eine Führungseinrichtung 26 befestigt, an der ein Schlitten 27 gleitet, der durch eine Spindel 28 auf und ab bewegt werden kann. Die Welle der Spindel 28 ist durch die Platte 24 hindurchgeführt und wird von einem Hilfsmotor 29 über ein über setzungsgetriebe 30 angetrieben, beispielsweise der art, dass sich der Schlitten mit einer Geschwindig keit von der Grössenordnung 0,5 bis 5 mm/Min. nach oben oder nach unten bewegt. An dem Schlitten 27 ist die Heizspule 10 befestigt, die z. B. aus Kupfer rohr besteht und mit einem hochfrequenten Strom von mehreren MHz gespeist und von Kühlwasser durchströmt wird.
Ein Ringheizkörper 17 aus Wolfram- oder Molybdänblech ist nahe dem oberen Ende des SchmeMings 2 angeordnet und mit dessen Halterung 19 durch Drähte aus demselben Metall fest ver bunden. Zu Beginn eines Ziehvorganges wird die Heizspule 10 bis zu ihrer höchsten Stellung gefah ren, so dass sich der Ring 17 in ihrem Feldbereiche befindet und auf diese Weise zum Glühen gebracht wird.
Durch die von ihm ausgestrahlte Wärme wird nur die von ihm umgebene Zone des Halbleiterstabes erwärmt und infolgedessen die elektrische Leitfähig keit dieser iStabzone so weit erhöht, dass nunmehr auch in ihrem Innern von der Spule 10 induzierte Ströme fliessen, welche die Temperatur dieser Zone weiter erhöhen. Zugleich geht die Temperatur des Ringheizkörpers 17 zurück infolge der Schwächung des Magnetfeldes durch die im Halbleiter induzier ten Ströme.
Statt eines Ringheizers können auch ein fache Blechstreifen verwendet werden, die mit dem Halbleiterstab 2 in unmittelbarer Berührung stehen und so einen wesentlichen Teil der Wärme, welche in ihnen mittels der Induktionsspule 10 erzeugt wird, durch Leitung an die von ihnen berührte Stelle des Halbleiterstabes 2 abgeben. Dazu können vorteilhaft Blechstreifen verwendet werden, die zugleich zur Befestigung des Stabes 2 ,in der Halterung 19 dienen.
Die Halterung 19 wird dazu ohne Schlitz und ohne Schrauben ausgeführt, und zwar vorzugsweise aus Aluminium-Oxyd (A1203). Der Halbleiterstab 2 wird in der Halterung festgeklemmt mit Hilfe von drei Blechstreifen aus Molybdän, welche etwa 0,2 mm stark, 40 mm lang und 5 mm breit sind. Diese Strei fen werden vorher schwach wellenförmig gebogen, so dass sie als Klemmfedern wirken, wenn sie in Längsrichtung und um je 120 gegeneinander ver setzt an das Stabende gelegt und mit diesem zusam men in die Halterung 19 hineingeschoben werden. Die unteren Enden der Molybdänstreifen ragen aus der Halterung 19 nach unten heraus.
Wird nun die Heizspule 10 so weit nach oben gefahren, dass diese herausragenden Enden in das Hochfrequenzfeld ge langen, so werden sie glühend und geben Wärme ab an die von ihnen berührten Stellen des Halbleiter stabes, so dass die betreffende Stabzone elektrisch gutleitend wird und in ihr Induktionsströme fliessen.
Die mittels Fremdheizung gutleitend gemachte Stabzone kann durch weitere Steigerung der Hoch frequenzleistung der Spule 10 verflüssigt werden. Die Länge der Schmelzzone kann je nach dem be handelten Material, dem Durchmesser des Stabes oder sonstigen Umständen 5 bis 15 mm und mehr betragen. Wird nun anschliessend die Spule 10 mit Hilfe des Schlittens 27 nach unten bewegt, so wan dert mit ihr die Schmelzzone durch den Stab der Länge nach hindurch.
Es besteht aber die Gefahr, dass dadurch Verunreinigungen, welche, wie erwähnt, in die fremdbeheizte Zone etwa von dem Ringheiz körper 17 oder von den glühend gemachten Enden der Haltefedern aus hineingelangt sein können, in die übrigen Teile des Halbleiterstabes verschleppt werden. Diese Gefahr wird vermieden, wenn mit dem Zonenschmelzen an einer weiter unten liegen den Stelle des Halbleiterstabes begonnen und die Schmelzzone 11 mit Hilfe der Spule 19 in Rich tung des Pfeiles 13, also zu dem fremdbeheizten Stabende hin, bewegt wird, so dass dieses Stabende mit den Verunreinigungen angereichert wird, welche von der wandernden Schmelzzone mitgeschleppt wer den.
Damit nach beendeter Fremdbeheizung an einer anderen Stelle des Stabes 2, z. B. in der Nähe des unteren Stabendes ohne erneute Fremdheizung mit dem Zonenschmelzen begonnen werden kann, wird die zur induktiven Beheizung der vorgewärmten Stelle zugeführte elektrische Leistung auf einen solchen Betrag begrenzt, dass diese Stelle zwar in festem Zu stande verbleibt, aber die für ihre gute elektrische Leitfähigkeit erforderliche erhöhte Temperatur hat, insbesondere glühend ist.
Dann wird die Induktions spule und mit ihr die glühende bzw. gutleitende Zone zum anderen Stabende hin bewegt und nach Errei chung einer vorbestimmten Stelle, vorzugsweise nahe diesem anderen Stabende, die zugeführte elektrische Leistung gesteigert und dadurch die glühende bzw. gutleitende Zone verflüssigt. Auf diese Weise kann auch ein einkristalliner Keimkristall 14, der in der Halterung 18 befestigt ist, an dem nicht vorgewärm ten Ende des Halbleiterstabes 2 angeschmolzen wer den. Lässt man dann von dieser Schmelzstelle aus die Schmelzzone 11 nach oben durch den Halbleiter stab 2 wandern, so kann man dadurch bekanntlich den ganzen Stab in einen Einkristall verwandeln.
Soll ein Ziehvorgang ein oder mehrmals in der selben, beispielsweise durch Pfeil 13 bezeichneten Richtung von unten nach oben wiederholt werden, so wird am Schluss eines Schmelzzonendurchganges die zugeführte elektrische Leistung der Induktions spule so weit vermindert, dass zwar der Schmelzfluss erstarrt, aber diese Stabzone die für ihre gute elek trische Leitfähigkeit erforderliche erhöhte Temperatur behält, insbesondere glühend bleibt.
Dann wird die Induktionsspule und mit ihr die glühende bzw. gut leitende Zone wieder zum anderen Stabende hin bewegt, und nach Erreichung einer vorbestimmten Stelle, vorzugsweise in der Nähe dieses anderen Stab endes, die zugeführte elektrische Leistung wieder ge steigert und dadurch die glühende bzw. gutleitende Zone verflüssigt, womit eine erneute Wanderung der Schmelzzone in derselben Richtung wie beim vor hergehenden Durchgang eingeleitet wird.
Die glühende bzw. gutleitende Zone kann vor teilhaft mit grösserer Geschwindigkeit durch den Stab 2 hindurchgezogen werden als die Schmelzzone.
Die durch Pfeil 13 bezeichnete Ziehrichtung für die Schmelzzone von unten nach oben hat sich als be sonders günstig erwiesen, wenn der Querschnitt des Stabes nicht verändert werden soll. Er wird dann auch über die Stablänge sehr gleichmässig. Die umgekehrte Ziehrichtung von oben nach unten hat sich bewährt für den Fall, dass der Querschnitt durch das Zonen schmelzen wesentlich verringert werden soll, indem während des Ziehens die obere Halterung nach oben weiterbewegt wird. Der Hilfskörper 17 zur Fremd beheizung wird in diesem Falle vorteilhaft nahe dem unteren Ende des Halbleiterstabes angebracht.
Statt in einem engen Quarzrohr 4 kann das neue Verfahren auch in einer Stahlkammer von viel grö sserer Weite durchgeführt werden. Dabei befindet sich die Heizspule 10 im Innern der Kammer und umschlingt unmittelbar den Siliziumstab 2. Die Kam merweite beträgt vorteilhaft mindestens das Zehn fache des äusseren Spulendurchmessers der Heizspule. Die Kammerwandung ist zweckmässigerweise mit min destens einem Beobachtungsfenster versehen.
Eine Wasserkühlung kann mittels Kupferrohre, welche auf die stählernen Kammerwandungen aufgelötet sind, herbeigeführt werden. Spulenträger (Schlitten) und Antriebsvorrichtung können innerhalb oder wenigstens teilweise ausserhalb der Stahlkammer an geordnet sein. Vorrichtungen mit einer Stahlkammer von verhältnismässig grosser Weite haben sich be sonders gut bewährt, wenn das neue Zonenschmelz- verfahren im Hochvakuum durchgeführt wird.
Method for crucible-free zone melting of semiconductor materials To obtain a crystalline substance of the highest purity or to produce single crystals from such a substance, in particular from semiconductor material such as germanium, silicon or a compound of elements of III. and V.
Group or the Il. and VI. Group of the periodic system, rod-shaped bodies of this substance can be further treated by means of the crucible-free zone melting process in order to increase the degree of purity or to achieve a monocrystalline structure. Only a small part of the semiconductor rod is melted by means of a ring heating element and the heating element is moved in its longitudinal direction relative to the semiconductor rod, so that the liquid zone migrates lengthwise through the material.
It is also known to use the method of inductive heating for melting semiconductor material. But because the conductivity of the semiconductor materials at normal temperature is not sufficient to generate the induction currents required for heating, other means were required, for example a ring heater made of metal or carbon, which glowed by resistance heating or inductive heating and its heat is transferred to the semiconductor by radiation. However, the glowing foreign body causes the risk of contamination of the semiconductor material. This risk is avoided with the invention.
The invention relates to a method for crucible-free zone melting of an upright rod made of a semiconductor material by means of inductive heating with the participation of an additional heat-emitting body and consists in that an additional body is heated that transfers heat to a zone of the semiconductor rod, so that this zone is preheated and electrically conductive, whereupon from this zone an induction coil, within which the heated rod zone is the only conductor exposed to the high-frequency field,
moved coaxially to the semiconductor rod in its longitudinal direction and so this rod zone is heated exclusively Lich during its migration through the semiconductor rod by electrical current generated inductively in it.
The invention will be explained, for example, with reference to the drawing, which shows a preferred device for performing the new method. With the aid of such a device, silicon rods can preferably be treated according to the crucible-free zone drawing process. The semi-conductor rod 2 is here enclosed in a quartz tube 4 and is expediently clamped in a vertical position between two brackets 18 and 19 which sit at the ends of shafts 20 and 21.
The shaft 20 is passed through the lower holder 22 for the quartz tube 4 in a vacuum-tight manner and is rotatable and also displaceable in the axial direction independently thereof, as is the shaft 21, which is passed through the upper holder 22. On the sockets 22 there are nozzles 25 through which the interior of the device can be evacuated or filled with protective gas. The whole rests on a plate 24 and a frame 23.
A guide device 26 is also attached to it, on which a slide 27 slides, which can be moved up and down by a spindle 28. The shaft of the spindle 28 is passed through the plate 24 and is driven by an auxiliary motor 29 via a reduction gear 30, for example of the type that the carriage moves at a speed of the order of magnitude of 0.5 to 5 mm / min. moved up or down. On the carriage 27, the heating coil 10 is attached, the z. B. consists of a copper tube and fed with a high-frequency current of several MHz and is flowed through by cooling water.
A ring heater 17 made of tungsten or molybdenum sheet is arranged near the upper end of the SchmeMing 2 and firmly connected to its holder 19 by wires made of the same metal. At the beginning of a drawing process, the heating coil 10 is moved up to its highest position so that the ring 17 is in its field area and is made to glow in this way.
The heat it radiates only heats the zone of the semiconductor rod that is surrounded by it, and as a result the electrical conductivity of this rod zone is increased to such an extent that currents induced by the coil 10 flow inside it, which further increase the temperature of this zone. At the same time, the temperature of the ring heater 17 goes back due to the weakening of the magnetic field by the currents induced in the semiconductor th.
Instead of a ring heater, simple sheet metal strips can be used that are in direct contact with the semiconductor rod 2 and thus emit a substantial part of the heat generated in them by means of the induction coil 10 by conduction to the point of the semiconductor rod 2 touched by them . For this purpose, sheet metal strips can advantageously be used, which also serve to fasten the rod 2 in the holder 19.
For this purpose, the holder 19 is designed without a slot and without screws, preferably made of aluminum oxide (A1203). The semiconductor rod 2 is clamped in the holder with the help of three metal strips made of molybdenum, which are approximately 0.2 mm thick, 40 mm long and 5 mm wide. This Strei fen are previously bent slightly wave-like so that they act as clamping springs when they are placed in the longitudinal direction and by 120 against each other ver is placed on the rod end and pushed together with this men in the holder 19. The lower ends of the molybdenum strips protrude from the holder 19 downwards.
If the heating coil 10 is now moved up so far that these protruding ends ge long into the high-frequency field, they become glowing and give off heat to the areas of the semiconductor rod they touch, so that the rod zone in question is electrically conductive and in it Induction currents flow.
The rod zone made conductive by means of external heating can be liquefied by further increasing the high-frequency power of the coil 10. The length of the melting zone can be 5 to 15 mm and more, depending on the material being treated, the diameter of the rod or other circumstances. If the coil 10 is then moved downwards with the aid of the slide 27, the melting zone waned with it through the length of the rod.
However, there is a risk that impurities, which, as mentioned, may have got into the externally heated zone, for example from the ring heating body 17 or from the glowing ends of the retaining springs, are carried over into the remaining parts of the semiconductor rod. This danger is avoided if the zone melting is started at a further down the location of the semiconductor rod and the melting zone 11 is moved with the aid of the coil 19 in the direction of the arrow 13, so to the externally heated rod end, so that this rod end with the impurities is enriched, which are dragged along by the moving melting zone who the.
So that after the end of external heating at another point on the rod 2, z. B. in the vicinity of the lower end of the rod without renewed external heating with the zone melting, the electrical power supplied for inductive heating of the preheated point is limited to such an amount that this point remains in a solid state, but for its good electrical conductivity has required elevated temperature, in particular is glowing.
Then the induction coil and with it the glowing or highly conductive zone is moved to the other end of the rod and after reaching a predetermined point, preferably near this other rod end, the supplied electrical power is increased and thereby liquefies the glowing or highly conductive zone. In this way, a single-crystal seed crystal 14, which is fixed in the holder 18, melted to the end of the semiconductor rod 2 not preheated th who the. If the melting zone 11 is then allowed to migrate upwards through the semiconductor rod 2 from this melting point, then, as is known, the entire rod can be converted into a single crystal.
If a drawing process is to be repeated one or more times in the same direction from bottom to top, for example indicated by arrow 13, the electrical power supplied to the induction coil is reduced so far at the end of a melt zone passage that the melt flow solidifies, but this rod zone the retains the elevated temperature required for their good electrical conductivity, in particular remains glowing.
Then the induction coil and with it the glowing or highly conductive zone is moved back to the other end of the rod, and after reaching a predetermined point, preferably in the vicinity of this other end of the rod, the electrical power supplied is increased again, thereby increasing the glowing or The highly conductive zone is liquefied, which initiates a renewed migration of the melting zone in the same direction as in the previous passage.
The glowing or highly conductive zone can be pulled through the rod 2 at a greater speed than the melting zone.
The direction of drawing indicated by arrow 13 for the melting zone from bottom to top has proven to be particularly favorable if the cross section of the rod is not to be changed. It then becomes very even over the length of the rod. The reverse pulling direction from top to bottom has proven itself in the event that the cross-section through the zone melting is to be reduced significantly by moving the upper holder further upwards during the pulling. The auxiliary body 17 for external heating is advantageously attached near the lower end of the semiconductor rod in this case.
Instead of a narrow quartz tube 4, the new method can also be carried out in a steel chamber of much greater width. The heating coil 10 is located inside the chamber and directly wraps around the silicon rod 2. The chamber width is advantageously at least ten times the outer coil diameter of the heating coil. The chamber wall is expediently provided with at least one observation window.
Water cooling can be brought about by means of copper pipes which are soldered onto the steel chamber walls. Coil carrier (slide) and drive device can be arranged inside or at least partially outside of the steel chamber. Devices with a steel chamber of relatively large width have proven to be particularly effective when the new zone melting process is carried out in a high vacuum.