DE1044768B - Verfahren und Vorrichtung zum Ziehen eines stabfoermigen kristallinen Koerpers, vorzugsweise Halbleiterkoerpers - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Es ist bekannt, einen stabförmigen kristallinen Körper, vorzugsweise Halbleiterkörper, dadurch herzustellen, daß das Material aus einem beheizten Behälter (Tiegel) herausgezogen, d. h. in geschmolzenem Zustand laufend entnommen wird, indem mittels einer senkrecht zum Flüssigkeitsspiegel der Schmelze beweglichen Halterung ein Keimling aus gleichem Material zunächst in die Vorratsschmelze eingetaucht und dann zusammen mit der ihn benetzenden Flüssigkeit langsam nach oben herausgezogen wird. Dabei bleibt an dem erstarrten unteren Ende jeweils ein Tropfen der Schmelze hängen, der in kurzem Abstand von der Entnahmestelle erstarrt, so daß nach und nach ein stabförmiger Schmelzung entsteht. In dieser Weise werden z. B. Einkristalle aus Germanium oder Silizium oder aus halbleitenden Verbindungen von Elementen der III. und V. bzw. der II. und VI. Gruppe des Periodischen Systems, wie Indiumantimonid, hergestellt, die, in kleine Teile zerlegt, zu Richtleitern, Transistoren u. dgl. weiterverarbeitet werden. Damit der aus der Schmelze gezogene Stab einen gleichmäßigen Querschnitt erhält, muß die Temperatur der Vorratsschmelze sehr genau konstant gehalten werden. Dies wird z. B. nach einem bekannten Verfahren dadurch erleichtert, daß die Flüssigkeitsmenge im Tiegel konstant gehalten wird, indem der Schmelze während des Abziehens des Schmelzlings laufend neues Vorratsmaterial zugeführt wird. Dabei wird sowohl der kristalline Schmelzstab vom Flüssigkeitsspiegel aus nach oben herausgezogen als auch das Nachschubmaterial an der Flüssigkeitsoberfläche von oben her zugeführt. Bei diesem bekannten Verfahren ist das Volumen der Schmelze verhältnismäßig groß, insbesondere nicht wesentlich kleiner als das Volumen des herausgezogenen Stabes. Demgegenüber wird erfindungsgemäß eine Verbesserung dadurch erzielt, daß die Menge der Schmelze kleiner, vorzugsweise größenordnungsmäßig kleiner gehalten wird als die Stoffmenge des fertigen Schmelzlings.

Die Durchführung des Ziehverfahrens mit einer geringen Menge flüssigen Materials ist nicht nur von Vorteil wegen des sparsamen Verbrauchs an Heizleistung und der bequemen Temperaturregelung, sondern erleichtert auch die Dotierung bzw. Umdotierung der Schmelze.

Die Menge des flüssigen Materials kann besonders klein gehalten werden, bis herab zu 1 cm³ oder weniger, wenn der entstehende Schmelzung nach einer von der Richtung der Materialzufuhr abweichenden Richtung abgezogen wird. Es ist dann möglich, einen sehr kleinen Tiegel zu verwenden mit einem Innendurchmesser, der nur wenig größer zu sein braucht als der Durchmesser des Schmelzlings bzw. eines aus dem Vorratsmaterial hergestellten Stabes, so daß der Verfahren und Vorrichtung zum Ziehen eines stabförmigen kristallinen Körpers, vorzugsweise Halbleiterkörpers

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr. nat. Hans Schweickert und Joachim Haus, Pretzfeld, sind als Erfinder genannt worden

Schmelztiegel z. B. höchstens ein Zehntel der für den fertigen Schmelzung benötigten Materialmenge faßt.

Ist also beispielsweise der Schmelzung 20 cm lang und beträgt sein Querschnitt 0,8 cm², so würde man mit einem Tiegel von 1,5 cm³ oder weniger Fassungsvermögen auskommen. Die in ihm tatsächlich enthaltene Menge flüssigen Materials wird während des Ziehprozesses vorteilhaft kleiner als ein Dreißigstel der gesamten, für den fertigen Schmelzung benötigten Materialmenge gehalten. Für dieses Ziehverfahren wird nach der weiteren Erfindung eine Vorrichtung benutzt, bei der die Entnahmestelle am Schmelztiegel unterhalb des Flüssigkeitsspiegels der Schmelze in Gestalt einer Austrittsöffnung angeordnet ist, der eine relativ zum Behälter in Austrittsrichtung bewegbare Halterung für den Schmelzung gegenübersteht, so daß sich das bereits erstarrte Ende des Schmelzstabes in kurzem Abstand vor der Austrittsöffnung befindet. Von der Flüssigkeit tritt dann insbesondere auch wegen des niedrigen Flüssigkeitsstandes und -druckes des, wie erwähnt, geringen Schmelzvorrats im Tiegel jeweils nur eine geringe Menge aus, die bei allmählichem Abziehen des Stabes erstarrt und sich durch Nachfließen neuer flüssiger Schmelze laufend in demselben Maße ergänzt, wie der Stab wächst. Die Abziehgeschwindigkeit kann entsprechend der nachfließenden Menge so eingestellt werden, daß ein Schmelzstab von gleichmäßigem Querschnitt entsteht. Bei den bekannten Ziehverfahren, bei denen der Schmelzung vom Flüssigkeitsspiegel nach oben gezogen wird, ist die Querschnittsgröße des entstehenden Schmelzstabes durch die Oberflächenspannung des an-

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hängenden Flüssigkeitstropfens in ziemlich engen Grenzen festgelegt, so daß zur Herstellung der für Richtleiter, Transistoren u. dgl. benötigten sehr Ideinen Fertigkörper der Querschnitt des kristallinen Schmelzstabes nach dem Ziehvorgang durch zusätzliche Bearbeitungsvorgänge (Sägen, Schneiden) unterteilt werden muß. Demgegenüber ist bei dem neuen Verfahren die Größe des Stabquerschnittes durch die Größe der Austrittsöffnung, die — von der Wärmezufuhr abhängige — Höhe des Flüssigkeitsstandes der Schmelze über der Austrittsöffnung und durch die Abziehgeschwindigkeit bestimmt. Letztere kann bei gegebener Größe der Austrittsöffnung innerhalb eines durch die Oberflächenspannung des Schmelzmetalls gegebenen Bereiches verschieden gewählt werden. Durch passende gegenseitige Abstimmung der genannten Größen kann jede gewünschte Querschnittsgröße des Schmelzstabes erzielt werden. Es ist also z. B. auch möglich, den Stab so dünn zu ziehen, daß ohne weitere Unterteilung durch einfaches Abtrennen von Scheiben fertige Halbleiterkörper von der für Richtleiter, Transistoren u. dgl. benötigten Größe entstehen.

Durch die Möglichkeit, den Querschnitt des Schmelzlings zusätzlich durch die Größe der Austrittsöffnung des Tiegels und durch den Druck der Schmelzflüssigkeit an der Austrittsstelle zu beeinflussen, ist das neue Verfahren auch dem bekannten, tiegellosen senkrechten Zonenschmelzen überlegen. Gegenüber dem älteren bekannten Zonenschmelzen in einem langgestreckten Tiegel in waagerechter Lage hat das neue Verfahren den gleichen Vorteil wie das tiegelfreie Zonenschmelzen, daß nämlich die Schmelze im Zeitpunkt des Erstarrens nicht mit dem Tiegel in Berührung ist und somit nicht festbacken und auch keine Fremdstoffe vom Tiegel aufnehmen kann.

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung, bei welcher der Schmelzung nach unten abgezogen wird, von der Seite gesehen, teilweise im Schnitt längs der Linie I-I in Fig. 2, die ihrerseits eine Draufsicht auf einen durch die Linie II-II angedeuteten Schnitt der eigentlichen Schmelz- und Ziehvorrichtung zeigt; in

Fig. 3 sind die am Schmelzprozeß unmittelbar mitwirkenden Einzelheiten in vergrößertem Maßstabe dargestellt;

Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel mit einem durchsichtigen Quarzrohr, von vorn gesehen, teils im Schnitt,

Fig. 5 eine Teilansicht von der Seite mit teilweise geschnittenem Quarzrohr;

Fig. 6 bis 10 zeigen andere Formen des Schmelztiegels und dadurch bedingte Abänderungen der Vorrichtung.

Nach Fig. 1 bis 3 ist ein Tiegel 11 vorgesehen, der aus Graphit oder Magnesiumoxyd oder Aluminiumoxyd bestehen kann. Diese Materialien zeichnen sich durch sehr hohe Temperaturbeständigkeit bis zu 3000 bzw. 2500 bzw. 2000° C aus. Graphit eignet sich besonders gut für die Behandlung von Germanium, ferner von Indiumantimonid und ähnlichen Halbleiterverbindungen, mit denen Graphit nicht reagiert. Mit verschiedenen anderen Halbleiterstoffen, wie Silizium und Aluminiumantimonid, reagiert Graphit zwar, jedoch sind die sich dabei bildenden Karbide beständig, so daß der Tiegel, nachdem sich eine entsprechende Auskleidung gebildet hat, nicht weiter angegriffen wird und auch die Schmelze unbeeinflußt bleibt. Am Eoden des Tiegels, der z. B. ein Dreißigstel der gesamten zu verarbeitenden Materialmenge in flüssigem Zustand enthält, befindet sich die Austrittsöffnung, aus der das flüssige Material nach unten austreten kann. Unterhalb der Öffnung ist ein fertiger Teil 12 des Schmelzlings dargestellt, der an seinem unteren Ende in einer Halterung 13 befestigt ist. Zwischen dem oberen Ende und dem Tiegel 11 befindet sich ein Tropfen 10 der Schmelze, der allmählich von unten nach oben fortschreitend erkaltet und erstarrt, so daß der

ίο Schmelzung 12 nach oben wächst. Die Halterung 13 ist in Achsrichtung des Schmelzlings beweglich, so daß mit ihrer Hilfe der Schmelzstab während seines Wachstums allmählich nach unten abgezogen werden kann. Von oben her wird dem Tiegel Vorratsmaterial,

z. B. in fester Form, zugeführt, indem ein aus dem Vorratsmaterial bestehender Stab 14, der durch Pressen und gegebenenfalls Sintern oder durch Schmelzen z. B. in einem Schiffchen oder durch Gießen in einer Form hergestellt sein kann, mittels einer Halterung 15 in den Tiegel 11 hineingesenkt wird. Die eigentliche Austrittsöffnung im Boden des Tiegels 11 wird beispielsweise durch einen düsenförmigen Einsatzkörper 16 gebildet, der aus dem gleichen Material wie der Tiegel 11 oder aus einem anderen geeigneten Material bestehen kann und sowohl nach innen als auch nach außen übersteht. Der so gebildete, nach innen eingestülpte Rand der Austrittsöffnung hat — z. B. bei der Behandlung von Aluminiumantimonid — den Vorteil, daß ein am Nachschubmaterial befindlicher Überzug aus einem Reaktionsprodukt nicht mit austreten kann, sondern im Tiegel zurückgehalten wird. Der außen vorstehende Rand der Austrittsöffnung verhindert, daß die ausgetretene Schmelze den Boden des Tiegels benetzt. Die Schmelze kann sich also außerhalb des Tiegels nicht ausbreiten, und es ist dadurch möglich, den Schmelzung mit beliebig kleinem Querschnitt zu ziehen.

Der Tiegel ist an seinem unteren Ende von einer an sich bekannten ringförmigen Heizeinrichtung 17 derart umgeben, daß sich die Austrittsöffnung des Tiegels in Achsrichtung ungefähr in der Mitte des Ringheizkörpers 17 befindet. Der letztere ist als Widerstandsheizkörper dargestellt, der durch Strahlung wirkt, es kann aber auch eine induktiv wirkende Heizspule an seine Stelle treten. Der dargestellte Heizkörper besteht beispielsweise aus einem Streifen Molybdänblech oder Wolframblech, dessen Enden an einem Support 18 aus Kupfer od. dgl. bzw. an einer am Support 18 isoliert befestigten Messingplatte 19 angeklemmt und mit beweglichen Stromzuleitungen 36 verbunden sind, die zu einem regelbaren Heiztransformator bekannter Art führen. Der Tiegel 11 ist mit seinem oberen Rand in eine Halterung 20 eingehängt, die mittels Klemmplatten 21 an einem besonderen Supportoberteil 24 befestigt ist, damit die Halterung des Tiegels während des Betriebes von der Heizeinrichtung getrennt werden kann. Die Halterung 20 kann ebenfalls aus einem Widerstandsblech ähnlich der Heizvorrichtung 17 bestehen, das zugleich zur Vorheizung des Tiegels 11 dient, indem es vom Teil 24 isoliert und durch Zuführungsleitungen mit einem Heiztransformator verbunden ist. Durch Kontaktgabe der Klemmplatten 21 mit den Klemmplatten 19 kann die Vorheizeinrichtung 20 parallel zum Hauptheizkörper 17 an einem gemeinsamen Heiztransformator angeschlossen sein. Der Support 18 ist mittels zweier senkrechter Führungsbolzen.-22 aus Stahl gleitend geführt und wird durch eine Spindel 23 aufwärts oder abwärts bewegt. Die Führungsbolzen 22 sind an ihren beiden Enden durch Querbalken 31, 32 miteinander

verbunden und auf einer stählernen Grundplatte 30 befestigt. Sie sind vorteilhaft innen hohl und werden von Kühlwasser durchströmt, das dem einen der beiden Bolzen 22 von unten her durch die Grundplatte 30 hindurch zugeführt werden kann, von seinem oberen Ende durch den ebenfalls hohlen Querbalken 32 hindurch zum anderen der beiden Führungsbolzen 22 hinüberströmt und diesen unten durch die Grundplatte 30 hindurch wieder verläßt.

Der Oberteil 24 gleitet ebenfalls auf den Führungsbolzen 22, steht jedoch mit der Spindel 23 nicht im Eingriff, so daß — nach Arretierung des Oberteils 24 — unterhalb desselben der Support 18 für sich allein abwärts und aufwärts bewegt werden kann. Dadurch ist es möglich, den Schmelzstab 12 nach seiner Fertigstellung mit der beschriebenen Vorrichtung erneut zonenweise aufzuschmelzen, falls dies zur weiteren Reinigung oder zur Herstellung eines Einkristalls erforderlich ist.

Zu diesem Zweck wird vor Beginn des erneuten Ziehvorganges nicht nur die Vorheizeinrichtung 20, sondern vorübergehend auch die Heizeinrichtung 17 außer Betrieb gesetzt, so daß der Tiegel 11 durch Erstarren der Schmelze am oberen Ende des Schmelzstabes 12 anfriert. Der Tiegel 11 ist dann arretiert und dient beim nachfolgenden Zonenziehen als Halterung für das obere Ende des Schmelzstabes 12.

Die ganze Vorrichtung ist von einer Stahlhaube 33 umschlossen, die auf die Grundplatte 30 vakuumdicht aufgesetzt und mit einem Beobachtungsfenster 35 versehen ist. Die Grundplatte 30 hat einen Stutzen 34 zum Anschluß einer Vakuumpumpe oder eines Vorratsbehälters mit Schutzgas; so daß das Ziehverfahren unter Hochvakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre von z. B. Argon oder Stickstoff durchgeführt werden kann. In die Grundplatte 30 sind ferner Stromdurchführungen 37 für den Anschluß der Heizstromleitungen 36 vakuumdicht eingelassen. Das untere Ende der Spindel 23 ist als glatter Wellenstumpf ebenfalls vakuumdicht durch die Grundplatte 30 hindurchgeführt und über ein Getriebe 38 mit einem regelbaren Antriebsmotor 39 gekuppelt. An der Grundplatte 30 befindet sich eine Stellbuchse 40, mit der die ganze Vorrichtung an einer Stativsäule 41 verschiebbar befestigt ist. Das untere Ende der Säule 41 ist in ein Fußgestell 42 eingelassen.

Das freie Ende des Schmelzstabes 12 wird, insbesondere wenn er sehr dünn ist, vorteilhaft in kurzem Abstand unterhalb der Schmelzzone mittels einer beweglichen Führungseinrichtung 25, welche am Support 18 befestigt ist, zentrisch zur Tiegelaustrittsöffnung gehalten. Die Führungseinrichtung 25 enthält mehrere mit dem Umfang des Schmelzstabes 12 in Berührung kommende und einander gegenüberstehende Führungskörper 26, 27, von denen mindestens einer nachgiebig ist, z. B. unter dem Druck einer Feder 28 steht. Ferner kann zwischen der Austrittsöffnung des Tiegels 11 einerseits und dem erstarrenden Ende des Schmelzlings 12 andererseits ein Wärmeschirm 29, z. B. in Form einer Ringscheibe aus Mckelblech, angebracht und mit einem Fortsatz am Support 18 befestigt sein. Ein weiterer, ähnlicher Wärmeschirm kann auch oberhalb des Schmelztiegels 11 um den Stab 14 herum angebracht und am Supportoberteil 24 befestigt sein.

Wie der Support 18 können auch die Halterungen 13 und 15 in Achsrichtung des Schmelzstabes bewegt werden. Verschiedene Kombinationsmöglichkeiten mehrerer Bewegungen seien im folgenden kurz erwähnt: Nach einer ersten Kombination bleibt der Tiegel 11 ruhend, der Schmelzstab 12 wird nach unten abgezogen und ein Vorratsstab 14 von oben her zugeführt. Nach einer anderen Möglichkeit bleibt der obere Stab 14 in Ruhe, der Tiegel 11 wird nach oben bewegt und der Schmelzung 12 nach unten abgezogen. Nach einer dritten Kombination bleibt der Schmelzung in Achsrichtung unbewegt, während in Wachstumsrichtung des Schmelzlings der Tiegel 11 und — mit geringerer Geschwindigkeit — der Vorratsstab 12 nach oben bewegt werden. Zusätzlich hierzu kann nach einer weiteren Kombination der Schmelzstab 12 nach unten abgezogen werden, insbesondere dann, wenn er möglichst dünn werden soll. Außer der Bewegung in Achsrichtung kann den Stäben 12 und 14 auch noch eine Drehbewegung erteilt werden. Durch Drehung des Vorratsstabes 14 wird die Schmelze im Tiegel 11 umgerührt. Eine Drehung des Schmelzstabes 12 erfüllt nicht nur den Zweck, einen gleichmäßigen, rotationssymmetrischen Querschnitt zu erzielen, sondern auch —- bei Anwendung höherer Drehzahlen ■—- in der Schmelze befindliche ungelöste Fremdkörper durch die Fliehkraft an die Außenfläche des Schmelzlings zu befördern, von wo sie nachträglich mit chemischen oder/und mit mechanischen Mitteln entfernt werden können.

Zur Ausführung der verschiedenen vorgenannten Bewegungen ist jede der beiden Halterungen 13 und 15 am freien Ende einer Welle 43 bzw. 45 angeordnet, die durch die Grundplatte 30 bzw. die Stirnwandung der Haube 33 vakuumdicht hindurchgeführt und mit je einem Getriebe 44 gekuppelt sind, welches von je zwei Antriebsmotoren 46 auf die Wellen 43 bzw. 45 eine Bewegung in Achsrichtung und unabhängig davon eine Umlaufbewegung übertragen kann. Eine vorteilhafte Ausführungsform eines derartigen Getriebes ist bereits vorgeschlagen worden. Die Antriebsmotoren 46 können ebenfalls auf Stellbuchsen 47 an der Stativsäule 41 befestigt sein.

Mit der beschriebenen Vorrichtung wird wie folgt verfahren: Bei geöffneter Haube 33 wird in der unteren Halterung 13 ein einkristalliner Keimling 12 in Form eines kurzen Stückes eines früher hergestellten Einkristallstabes eingeklemmt. In die obere Halterung 15 wird ein aus dem Vorratsmaterial hergestellter Sinterstab 14 eingespannt und nach Schließung der Haube 33 der Support 18 mit der Heizeinrichtung 17 sowie mit dem Oberteil 24 und dem daran gehalterten Tiegel 11 nach oben gefahren, bis sieh das untere Ende des Stabes 14 im Tiegel 11 befindet. Die untere Halterung 13 wird ebenfalls nach oben ausgefahren, bis der Keimling den Tiegel 11 fast oder gerade berührt. Nach Herstellung des erforderlichen Hochvakuums wird der Heizstrom eingeschaltet, so daß das untere Ende des Vorratsstabes 14 schmilzt. Auch das obere Ende des Keimlings 12 wird flüssig. Mit ihm vereinigt sich der aus der öffnung im Boden des Tiegels 11 nach unten austretende Schmelztropfen. Der Teil 12 wird nun unter ständiger Drehung um seine Achse, z. B. mit 400 U/Min., langsam nach unten abgezogen, z. B. mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 0,5 bis 5 mm/Min. In dem Maße, wie hierbei Schmelzflüssigkeit verbraucht wird, erfolgt der Nachschub des Stabes 14 von oben her. Durch ständiges Drehen dieses Stabes mit z. B. 300U/Min, oder weniger wird die Schmelze im Tiegel 11 gut umgerührt.

Bei der Vorrichtung nach den Fig. 4 und 7 ist die Ziehvorrichtung eines durchsichtigen Quarzrohres 60 angeordnet, das an beiden Enden durch metallene, eingeschliffene Endverschlüsse 57 und 58 vakuumdicht verschlossen ist. Die Verschlüsse werden durch Endplatten 59· und Spannbolzen 61 zusammengepreßt.

Diese Teile bilden ein Gestell, das auf Füßen 62 ruht. An dem Endverschluß 58 befindet sich ein Stutzen 63 zum Anschluß einer Hochvakuumpumpe oder eines Schutzgasvorratsbehälters. Zur Beheizung ist hier eine Induktionsspule 64 vorgesehen, die auch gleich dazu dient, den Schmelztiegel 11 zu tragen. Der Tiegel ist dazu außen mit einem Ringwulst 66 versehen, der sich wenig oberhalb seiner Austrittsöffnung befindet.

Die Heizspule 64 kann auch außerhalb des Quarzrohres 60 angeordnet und der Tiegel 11 mit anderen geeigneten Mitteln innnerhalb des Quarzrohres gehaltert werden.

Die Induktionsspule 64 und ihre Anschlußleitungen 67 bestehen aus einem einzigen Stück Kupferrohr, dessen Enden durch den oberen Verschluß deckel 57 vakuumdicht hindurchgeführt sind. An den äußeren Enden der Rohrstücke 67 befinden sich Klemmen 68 zum Anschluß eines Hochfrequenzgenerators, der beispielsweise mit einer Frequenz von einigen Megahertz arbeitet. Ferner werden an die Rohrenden Gummischläuche angeschlossen, mit denen Kühlwasser durch das Rohr und damit durch die Induktionsspule 64 hindurchgeleitet wird. Zur Vorwärmung des Tiegels 11 und der in ihm befindlichen Schmelze dient ein geschlossener Heizring 65 aus Wolfram-, Molybdänoder Nickelblech, der auf dem Wulst 66 ruht.

Das Rohmaterial wird hier in P'ulverform dem Tiegel 11 zugeführt. Zu diesem Zweck ist ein Vorratsbehälter 70, z. B. aus Glas, am oberen Endverschluß 57 lösbar befestigt, beispielsweise mittels eines Bajonettverschlusses. Der Glasbehälter 70 hat an seinem unteren Ende eine verengte Austrittsöffnung, etwa wie die Durchlaßöffnung einer Sanduhr, so daß das im Vorratsbehälter befindliche feingemahlene Halbleiterpulver nach unten in einem dünnen Strahl herausrieselt und in den Schmelztiegel 11 gelangt. Der letztere kann — abweichend von der Darstellung — am Behälter 70 gehaltert, insbesondere aufgehängt sein. Die Auslaßöffnung des Behälters 70 kann mittels eines Stopfens 69 verschlossen werden, der sich am unteren Ende einer Stange 71 befindet. Diese Stange ist durch den Endverschluß 57 vakuumdicht hindurchgeführt und mit einem Handhebel 72 gelenkig verbunden, so daß der Stopfen 69 durch Betätigung dieses Hebels gesenkt und gehoben werden kann.

Unterhalb der Austrittsöffnung des Tiegels 11 befindet sich der Schmelzflüssigkeitstropfen 10 und darunter das bereits erstarrte Ende 12 des Schmelzlings, der in der Halterung 13 festgeklemmt ist und mittels einer Vorrichtung 44, die am unteren Endverschluß 58 befestigt ist, nach unten abgezogen und unabhängig davon gedreht werden kann, wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben. Die Antriebsmotoren sind beim vorliegenden Ausführungsbeispiel in der Zeichnung weggelassen.

Eine Dotierungseinrichtung ist nach Fig. 4 und 5 am unteren Ende des Vorratsbehälters 70 vorgesehen.

Ein in der Halterung 12 festgeklemmter einkristalliner Keimling wird dann mittels der Antriebsvorrichtung 44 nach oben ausgefahren, bis an die Austrittsöffnung des Tiegels 11 heran, die dadurch verschlossen wird. Der Tiegel 11 kann infolgedessen durch vorübergehendes Anheben des Stopfens 69 teilweise mit Pulver aus dem Vorratsbehälter 70 beschickt werden. Nach der Evakuierung des Innenraums des Quarzrohres 60 wird die Hochfrequenzheizung eingeschaltet und dadurch, sofern das Halbleitermaterial noch keine zur induktiven Erhitzung ausreichende hohe Leitfähigkeit hat, zunächst der Hilfsheizring 65 erhitzt. Von ihm wird die Wärme durch die Tiegelwandung hindurch auf das im Tiegel 11 enthaltene Pulver übertragen, bis es zusammenbackt und dabei so gut leitend wird, daß nunmehr die zum Schmelzen erforderliche Wärme durch hochfrequente Induktionsströme unmittelbar im Halbleitermaterial selbst entsteht. Dadurch geht die auf den Hilfsheizring 65 übertragene Leistung von selbst zurück, so daß er weiterhin nur noch zur Vorheizung dient. Nachdem der Tiegelinhalt flüssig geworden und auch das obere Ende des Keimlings aufgeschmolzen und dadurch die Austrittsöffnung des Tiegels freigegeben ist, kann mit dem Abziehen des Schmelzlings 12 mit Hilfe der Vorrichtung 44 begonnen werden. Durch Anheben des Stopfens 69 wird für den erforderlichen Materialnachschub in Form des herausrieselnden Pulvers gesorgt.

In Fig. 6 ist eine Abänderung der Anordnung nach Fig. 3 dargestellt. Nach Fig. 6 ist der Querschnitt der Austrittsöffnung des Schmelztiegels 11 mittels einer

ao Nadel 80 regelbar, die in Achsrichtung verstellbar ist. Am oberen Ende der Nadel ist ein Stopfen 81 vorgesehen, mittels dessen die Austrittsöffnung vollständig verschlossen werden kann. Nadel und Stopfen sind an einer Stange 82 befestigt, die an Stelle des Nachschubstabes 14 in der oberen Halterung 15 der in Fig. 1 dargestellten Anordnung eingeklemmt werden kann. Der Nachschub für die Schmelze wird nach Fig. 6 in zerkleinerter Form bzw. in Pulverform aus einem Vorratsbehälter 70 mit einem verengten Auslauf nach Art einer Sanduhr zugeführt, wie er in Verbindung mit der Anordnung nach Fig. 4 beschrieben worden ist. Der Vorratsbehälter 70 kann bei der Anordnung nach Fig. 1 am Supportoberteil 24 befestigt sein.

Nach einer weiteren Abänderung gemäß den Fig. 7 und 8 kann der Tiegel 11 um die Achse seiner Austrittsöffnung gedreht werden. Zu diesem Zweck ist er mittels in seinem Inneren befindlicher Vorsprünge 83 an dem mit Armen 84 versehenen unteren Ende einer Stange 85 aufgehängt, die aus dem gleichen oder einem ähnlichen hitzebeständigen Material besteht wie der Tiegel selbst. Die Stange 85 kann in die obere Halterung 15 der Anordnung nach Fig. 1 eingeklemmt und mit dieser zusammen durch die Antriebsvorrichtung 44 in Umdrehung versetzt werden. Mittels einer weiteren Halterung 86, deren Haltestange 87 bei der Anordnung nach Fig. 1 neben der Welle 45 durch die Stirnwandung der Haube 33 vakuumdicht hindurchgeführt sein kann, wird der Vorratsstab 14 gehalten und mittels einer geeigneten Antriebsvorrichtung langsam nach unten bewegt. Eine Drehung ist nicht erforderlich. Durch den in diesem Falle stillstehenden Vorratsstab 14 wird die in dem um seine Achse umlaufenden Tiegel 11 befindliche Schmelze umgerührt.

Fig. 9 zeigt eine Anordnung, bei welcher die Austrittsöffnung des Tiegels 11 in dessen seitlicher Wandung angebracht ist und sich die Halterung 13 für den Schmelzung 12 in der Achsrichtung der Austrittsöffnung seitlich daneben befindet, so daß der Schmelz- ling in waagerechter Lage abgezogen wird. Die Halterung für den Tiegel und die Heizeinrichtungen werden in diesem Falle vorteilhaft ruhend angeordnet. Der Materialnachschub kann entweder in Pulverform oder in fester Form, wie beschrieben, erfolgen.

Nach Fig. 10 hat der Schmelztiegel 11 die Form eines U-Rohres mit verschieden langen Schenkeln. Die Halterung 13 für den Schmelzung 12 befindet sich über der nach oben gerichteten Austrittsöffnung des kürzeren der beiden Schenkel. Das Vorratsmaterial wird

z. B. in Fom eines Stabes 14 der Flüssigkeitsoberfläche

im längeren der beiden Schenkel zugeführt. Der Schmelzung 12 wird bei dieser Anordnung ebenso wie bei dem bekannten Ziehverfahren nach oben abgezogen. Der Unterschied besteht jedoch darin, daß bei dem bekannten Verfahren der Schmelzung von der freien Oberfläche nach oben abgezogen wird, während bei der Anordnung nach Fig. 10 eine besondere Austrittsöffnung vorgesehen ist, durch deren Weite und durch deren Höhenunterschied gegenüber dem Flüssigkeitsspiegel der Querschnitt des Schmelzlings zusätzlich beeinflußt werden kann. Ferner werden auch bei dieser Tiegel form Verunreinigungen zurückgehalten, die sich etwa in Form eines aus einem Reaktionsprodukt bestehenden Überzuges am Nachschubmaterial befinden.

Die sich aus der verschiedenen Lage des Schmelzlings gegenüber der Anordnung nach Fig. 1 ergebenden Änderungen der Halte- und Antriebsvorrichtungen können für die Fig. 9 und 10 aus den früheren Darstellungen abgeleitet werden.

Das beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere auch zur Herstellung stabförmiger Schmelzlinge aus schwerschmelzenden Metallen, wie Titan und Zirkonium oder aus entsprechenden Legierungen. Derartige, vorzugsweise zylindrische Schmelzlinge können z. B. als Wellen oder Stücke davon als Wellenzapfen od. dgl. verwendet werden.

Claims (21)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Ziehen eines stabförmigen kristallinen Körpers, vorzugsweise Halbleiterkörpers, aus einem Schmelztiegel, dem während des Abziehens des Schmelzlings neues Vorratsmaterial zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der Schmelze wesentlich kleiner, vorzugsweise größenordnungsmäßig kleiner gehalten wird als die Menge des fertigen Schmelzlings.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzung nach einer von der Richtung der Materialzufuhr abweichenden Richtung abgezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der Schmelze kleiner als ein Dreißigstel der für den fertigen Schmelzung erforderlichen Materialmenge, vorzugsweise kleiner als 1 cm³, gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel mit dem Wachsen des entstehenden Schmelzlings in Wachstumsrichtung weiterbewegt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzung in an sich bekannter Weise um seine Achse gedreht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzung mit einer höheren Drehzahl gedreht wird, als zur Herstellung der Rotationssymmetrie des Schmelzlings erforderlich ist.

7. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel (11) unterhalb des Flüssigkeitsspiegeis der Schmelze mit einer Austrittsöffnung versehen ist, der eine relativ zum Tiegel (11) in Austrittsrichtung bewegbare Halterung (13) für den Schmelzung (12) gegenübersteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung des Schmelztiegels düsenförmig ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung des Schmelztiegels einen nach innen eingestülpten Rand hat.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung des Schmelztiegels einen nach außen vorstehenden Rand hat.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Austrittsöffnung des Schmelztiegels eine verschiebbare Nadel (80) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung im Boden des Schmelztiegels angebracht ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel um die Achse seiner Austrittsöffnung drehbar angeordnet und mit einer Antriebseinrichtung versehen ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung in der seitlichen Wandung des Schmelztiegels angebracht ist (Fig· 9).

15. Vorrichtung nach Ansprach 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel die Form eines U-Rohres mit verschieden langen Schenkeln hat und daß eine nach oben gerichtete Austrittsöffnung im kürzeren Schenkel angebracht ist (Fig. 10).

16. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel höchstens ein Zehntel der für den fertigen Schmelzung erforderlichen Materialmenge faßt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung des Schmelztiegels (11), in Achsrichtung gesehen, ungefähr in der Mitte eines Ringheizkörpers (17) angeordnet ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine vorzugsweise ebenfalls ringförmige Vorheizeinrichtung (20) für den Schmelztiegel (11).

19. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß nahe der Austrittsöffnung des Tiegels (11) ein Wärmeschirm (29) mit einer Ausnehmung für den Schmelzung (12) angebracht ist.

20. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der fertige Schmelzstab ohne Benutzung des Schmelztiegels zonenweise aufgeschmolzen wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn des Zonenschmelzens die Heizeinrichtung vorübergehend außer Betrieb gesetzt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 894 293.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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