DE1106732B - Process for zone cleaning of polycrystalline fusible semiconductors - Google Patents
Process for zone cleaning of polycrystalline fusible semiconductorsInfo
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Description
Die bekannten tiegelfreien Zonenschmelzverfahren für polykristalline schmelzbare Halbleiter haben den Zonenschmelzverfahren in Tiegeln gegenüber den Vorteil, daß eine Verunreinigung des betreffenden Halbleiters durch Fremdmaterialien vermieden wird.The known crucible-free zone melting processes for polycrystalline fusible semiconductors have the Zone melting process in crucibles over the advantage that contamination of the semiconductor concerned is avoided by foreign materials.
Bei diesen Verfahren wird ein längsgestreckter Körper der betreffenden Substanz in einer Kammer mit entsprechendem Abstand von ihrer Wandung vertikal abgestützt und von oben nach unten durch eine in horizontaler Ebene liegende, vorzugsweise induktiv erzeugte Heizzone geführt, so daß innerhalb des Körpers eine Schmelzzone erzeugt wird, die sich dem Querschnitt nach völlig durch den Körper erstreckt, die aber der Länge nach nur einen kleinen Bruchteil der Gesamtlänge des Körpers ausmacht. Ein Herunterfließen des geschmolzenen Materials wird dabei nur durch die Oberflächenspannung des Materials vermieden. Während der Körper durch die Heizzone hindurch von oben nach unten geführt wird, wandert die Schmelzzone von unten nach oben unter fortlaufendem Aufschmelzen und Wiedererstarren des Materials.In this process, an elongated body of the substance in question is placed in a chamber with a corresponding distance from its wall vertically supported and from top to bottom by a in a horizontal plane, preferably inductively generated heating zone out, so that within the body a melting zone is created which extends completely through the body in terms of its cross-section, which, however, is only a small fraction of the length of the body. A flowing down of the melted material is only avoided by the surface tension of the material. As the body is guided through the heating zone from top to bottom, the migrates Melting zone from bottom to top with continuous melting and re-solidification of the material.
Dieses in der Technik als »Zonenschmelzverfahren < bekannte Verfahren ist gegenwärtig in seiner Anwendung auf die Bildung von Schmelzzonen in Körpern mit kleinen Ouerschnittsflächen beschränkt. Wird z. B. die Querschnittsfläche der Schmelzzone eines Siliziumstabes über etwa 1 cm2 hinaus erhöht, so wird die Zone unstabil. Das heißt, anders ausgedrückt, daß die Kräfte der Oberflächenspannung die Zone nicht in einer stabilen Lage halten können, wenn die Querschnittsfläche der geschmolzenen. Zone über einen Grenzwert ansteigt, und daß sich die Zone dann auflöst oder zerfällt.This process, known in the art as the "zone melting process", is currently limited in its application to the formation of melting zones in bodies with small cross-sectional areas. Is z. If, for example, the cross-sectional area of the melting zone of a silicon rod is increased beyond about 1 cm 2 , the zone becomes unstable. In other words, the surface tension forces cannot keep the zone in a stable position when the cross-sectional area of the molten. Zone rises above a threshold and that the zone then dissolves or disintegrates.
Dabei ist der Fachwelt schon bekanntgeworden, daß die Induktionsheizung den anderen möglichen Heizarten gegenüber noch den Vorteil hat, daß das Spulenfeld bestrebt ist, geschmolzenes Material in die Feldmitte, also in die Spulenebene zu ziehen und dort aufzubauen und zu halten, wodurch die zusammenhaltende Wirkung der Oberflächenspannung unterstützt wird.It has already become known to those skilled in the art that induction heating corresponds to the other possible types of heating over still has the advantage that the coil field strives to bring molten material into the center of the field, So to pull into the coil level and build and hold there, which makes the cohesive Effect of surface tension is supported.
Nach der Erfindung wird die Stabilität der Schmelzzone in einem noch wesentlich weiter gehenden Ausmaß erhöht und damit gleichzeitig das tiegelfreie Zonenschmelzverfahren auch bei Körpern mit größeren Durchmessern als den bisher üblichen dadurch anwendbar gemacht, daß der Halbleiterkörper unterhalb der waagerechten Mittelebene der Induktionsspule kühler als in der Schmelzzone und oberhalb der Mittelebene wärmer als in der Kühlzone gehalten wird. Auf diese Weise wird die Schmelzzone in bezug auf die Induktionsspule nach oben verschoben. Bei einer derartigen Anordnung induziert die Induktionsspule in der geschmolzenen, verhältnismäßig gut leitenden Zone Ströme, die ihrerseits ein zweites Induktionsfeld erzeugen, das von dem Induktionsfeld der Spule abge-Verfahren zur ZonenreinigungAccording to the invention, the stability of the melting zone is increased to an even greater extent increased and thus at the same time the crucible-free zone melting process This means that it can also be used for bodies with larger diameters than the previously usual ones made that the semiconductor body is below the horizontal center plane of the induction coil is kept cooler than in the melting zone and warmer above the central plane than in the cooling zone. on in this way the melting zone is shifted upwards with respect to the induction coil. With such a Arrangement induces the induction coil in the melted, relatively well conductive Zone currents, which in turn generate a second induction field that is removed from the induction field of the coil for zone cleaning
von polykristallinen schmelzbarenof polycrystalline fusible
HalbleiternSemiconductors
Anmelder:Applicant:
ίο Sylvania Electric Products Incorporated, eine Gesellschaft nach den Gesetzenίο Sylvania Electric Products Incorporated, a society according to the law
des Staates Delaware,
New York, N. Y. (V. St. A.)of the State of Delaware,
New York, NY (V. St. A.)
Vertreter: Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27Representative: Dipl.-Ing. H. Görtz, patent attorney,
Frankfurt / M., Schneckenhofstr. 27
Beanspruchte Priorität:Claimed priority:
V. St. v. Amerika vom 1. Mai 1957V. St. v. America May 1, 1957
Paul Henry Keck, Bayside, N. Y. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt wordenPaul Henry Keck, Bayside, NY (V. St. A.),
has been named as the inventor
stoßen wird. Auf diese Weise erfährt das frei bewegliche, geschmolzene Material eine der Schwerkraft entgegengerichtete Kraft, welche die Oberflächenspannung in ihrem Bestreben, ein Herabfließen des Materials zu verhindern, unterstützt und somit die Verarbeitung von Halbleiterkörpern größeren Querschnitts gestattet.will come across. In this way, the freely moving, molten material experiences one of the force of gravity opposing force, which increases the surface tension in its effort to cause a downward flow of the Material to prevent, supports and thus the processing of semiconductor bodies of larger cross-section allowed.
Das Verfahren nach der Erfindung kann praktisch so verwirklicht werden, daß der Teil des Halbleiterkörpers, der oberhalb der Schmelzzone angeordnet ist, erwärmt und zur selben Zeit der unterhalb der Schmelzzone liegende Teil des Halbleiterkörpers abgekühltThe method according to the invention can be implemented in practice so that the part of the semiconductor body, which is arranged above the melting zone is heated and at the same time that below the melting zone lying part of the semiconductor body cooled
4-5 wird. Derselbe Effekt ergibt sich, wenn durch den Körper ein Gleichstrom in einer derartigen Richtung geleitet wird, daß oberhalb' der Mittelebene Peltierwärme erzeugt und unterhalb absorbiert wird.4-5 will. The same effect results when the Body a direct current is conducted in such a direction that above 'the central plane Peltier heat is generated and absorbed below.
An einen Halbleiterkristall eine elektrische Spannung zu legen ist zwar bereits für Verfahren zum Ziehen von Halbleiterkristallen vorgeschlagen worden, jedoch abgesehen davon, daß es sich bei diesem Ziehverfahren um eine ganz andere Technik handelt, dient die Spannung auch einer anderen Aufgabe, sie sollApplying an electrical voltage to a semiconductor crystal is already a method for Pulling of semiconductor crystals has been proposed, but apart from being this pulling process If it is a completely different technique, the tension also serves another task, it should
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nämlich in Richtung und Größe derart geändert werden, daß die Störstellen bzw. Komponenten sich in den Halbleiterkristall in gewünschter Weise ungleichförmig einbauen.namely are changed in direction and size such that the impurities or components are in the Incorporate the semiconductor crystal in the desired manner in a non-uniform manner.
Es ist ferner schon bekanntgeworden, beim sogenannten Stufenziehverfahren von Halbleiterkristallen mit Zonen unterschiedlicher Dotierung die auf Grund wechselnder Ziehgeschwindigkeit erforderliche Temperaturänderung der Halbleiterschmelze durch Ausnutzung des an der Grenzfläche zwischen fester und flüssiger Phase auftretenden Peltierefrektes zu erzielen. Die dort gegebene Problemstellung der Anpassung der Temperatur der Schmelze an die sich ändernde Ziehgeschwindigkeit ist also ebenfalls eine völlig andere als die der Erfindung zugrunde liegendeAufgabe, beim tiegelfreien Zonenreinigen die Oberflächenspannung des Halbleitermaterials in ihrem Bestreben, die geschmolzene Zone zusammenzuhalten, durch eine weitere Kraft zu unterstützen.It has also become known in the so-called step pulling process for semiconductor crystals with zones of different doping, the temperature change required due to the changing pulling speed the semiconductor melt by utilizing the at the interface between solid and liquid phase occurring Peltiererectes to achieve. The given problem of adapting the temperature of the melt to the changing drawing speed is therefore also a completely different task than the problem on which the invention is based Crucible-free zones clean the surface tension of the semiconductor material in its effort to reduce the molten To hold the zone together, to support it with another force.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus den Darstellungen eines Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie aus der folgenden Beschreibung. Es zeigtFurther features, advantages and possible applications of the invention emerge from the illustrations of an embodiment of the invention and from the following description. It shows
Fig. 1 eine Querschnittsansicht der Einrichtung nach der Erfindung undFig. 1 is a cross-sectional view of the device according to the invention and
Fig. 2 eine Einzelansicht in vergrößertem Maßstab, welche die Relativlage der Induktionsspule in bezug auf die Schmelzzone veranschaulicht.Fig. 2 is a detailed view on an enlarged scale, showing the relative position of the induction coil in relation illustrated on the melting zone.
Wie in Fig. 1 dargestellt, wird ein längsgestreckter Körper eines polykristallinen schmelzbaren Halbleiters 10, in diesem Beispiel Silizium, mittels an seinen Enden befestigter Probenhalter 12 und 14 gehalten. Der Halter 12 ist an einem oberen wassergekühlten Rohr 16 und der Halter 14 an einem unteren wassergekühlten Rohr 18 befestigt, wobei die Rohre 16 und 18 mittels Flügelschrauben 20 in ihrer Lage gehalten werden und wobei diese Schrauben ihrerseits innerhalb einer Verbindungsbrücke 22 angeordnet sind, die unter Isolierung von den Rohren 16 und 18 getrennt ist. Die Rohre 16 und 18 sind aus Kupfer oder einem anderen äquivalenten Metall hergestellt.As shown in Fig. 1, an elongated body of a polycrystalline fusible semiconductor is made 10, in this example silicon, held by means of sample holders 12 and 14 attached to its ends. The holder 12 is on an upper water-cooled tube 16 and the holder 14 is on a lower water-cooled one Pipe 18 attached, the pipes 16 and 18 held in place by means of wing screws 20 are and these screws are in turn arranged within a connecting bridge 22, which under Isolation from the tubes 16 and 18 is separated. The tubes 16 and 18 are made of copper or other equivalent metal.
Der Körper 10 ist innerhalb einer Kammer angeordnet, die aus einem Quarzglaszylinder 24 gebildet wird, der an seinen Enden mittels Abdichtungen 26, Deckplatte 28 und Bodenplatte 30 abgedichtet ist. Die Kammer wird mittels Verbindungsstangen 32 zusammengehalten. Einlaß- und Auslaß-Gasverbindungen 34 in den Platten 28 und 30 dienen dazu, ein inertes Gas durch die Kammer hindurch einzuführen oder die Kammer zu evakuieren.The body 10 is arranged within a chamber formed from a quartz glass cylinder 24 which is sealed at its ends by means of seals 26, cover plate 28 and base plate 30. the Chamber is held together by connecting rods 32. Inlet and outlet gas connections 34 in the plates 28 and 30 are used to introduce an inert gas through the chamber or the Evacuate chamber.
Um die Außenseite des Zylinders 24 herum ist eine Induktionsspule 36 konzentrisch angeordnet. Diese Spule heizt, wenn sie in üblicher Weise, z. B. mittels eines Induktionsgenerators (nicht veranschaulicht), erregt wird, einen bestimmten Querschnitt des Körpers 10 auf und erzeugt in dem Körper 10 eine Schmelzzone 38.An induction coil 36 is arranged concentrically around the outside of the cylinder 24. These Coil heats when it is used in the usual way, e.g. B. by means of an induction generator (not illustrated), excited is, a certain cross section of the body 10 and creates a melting zone in the body 10 38.
Eine Heizspule 40 mit einem äußeren Strahlungsschirm 42 ist um einen oberen festen Teil 39 des Körpers 10, benachbart der Schmelzzone 38, am Umfang angeordnet. Die Spule 40 ist an einem Ende mittels eines Leiters 44 geerdet und mittels eines Leiters 48 mit einem Punkt hohen positiven Gleichstrompotentials 46 verbunden.A heating coil 40 with an outer radiation shield 42 is around an upper fixed portion 39 of the body 10, adjacent to the melting zone 38, arranged on the circumference. The coil 40 is at one end by means of a Conductor 44 grounded and by means of a conductor 48 having a point of high positive direct current potential 46 tied together.
Der obere Teil des Körpers 10 wird mittels der Spule 40 erhitzt, während der untere Teil mittels des Wassermantels 50 gekühlt wird, was zur Folge hat, daß die Zwischenschichten 37 und 39 des Festkörpers oberhalb und unterhalb der geschmolzenen Zone veranlaßt werden, sich nach oben zu bewegen. Das hat wiederum zur Folge, daß sich die Schmelzzone, wie im einzelnen in Fig. 2 veranschaulicht, nach oben oberhalb der Ebene verschiebt. Um die Schmelzzone in ihrem geschmolzenen Zustand zu halten, muß die von der Spule 36 gelieferte Energie gegenüber derjenigen erhöht werden, die bei Fehlen der Heizspule 40 und des Mantels 50 notwendig wäre, da von dem Mantel 50 mehr Wärme abgezogen als der Zone mittels der Heizspule 40 zugeführt wird.The upper part of the body 10 is heated by means of the coil 40, while the lower part is heated by means of the Water jacket 50 is cooled, with the result that the intermediate layers 37 and 39 of the solid above and below the molten zone are caused to move upwards. That has in turn, the result that the melting zone, as illustrated in detail in FIG. 2, is up and above the plane moves. In order to keep the melting zone in its molten state, that of the coil 36 supplied energy can be increased compared to that in the absence of the heating coil 40 and of the jacket 50 would be necessary because more heat is drawn from the jacket 50 than the zone by means of the Heating coil 40 is supplied.
ίο Da die Schmelzzone über eine Ebene (Ebene A nach Fig. 2) geschoben wird, die senkrecht zur Achse der Spule 36 liegt und sich durch den Mittelpunkt der Spule 36 erstreckt, übt das Induktionsfeld um die Spule 36 herum eine nach oben gerichtete oder der Schwerkraft entgegengerichtete Kraft auf die Schmelzzone 38 aus (da die Zone sich frei bewegen kann und die Spule36 in ihrer Lage festgehalten wird), was dem geschmolzenen Material einen Auftrieb vermittelt und eine Vergrößerung der Ouerschnittsflächen einer sta-ίο Since the melting zone is pushed over a plane (plane A according to FIG. 2) which is perpendicular to the axis of the coil 36 and extends through the center of the coil 36, the induction field around the coil 36 exercises an upward or the Gravity-opposed force on the melting zone 38 (since the zone can move freely and the coil36 is held in place), which gives the molten material buoyancy and increases the cross-sectional areas of a sta-
ao bilen geschmolzenen Siliziumzone z. B. von 1 cm auf etwa 2,5 cm gestattet, ohne daß die Schmelzzone unstabil wird.ao bilen molten silicon zone z. B. from 1 cm about 2.5 cm without the melt zone becoming unstable.
Diese der Schwerkraft entgegengerichtete Kraft kommt dadurch zustande, daß das Induktionsfeld der Spule 36 in der Schmeizzone Ströme induziert, welche ihrerseits ein zweites Induktionsfeld erzeugen, das von dem Induktionsfeld derSpule36 abgestoßen wird. Dies ist wiederum möglich, weil die Leitfähigkeit eines Halbleiters im flüssigen Zustand weit höher ist als die Leitfähigkeit im festen Zustand, wodurch auf diese Weise der Abstoßeffekt scharf lokalisiert wird.This opposing force of gravity comes about because the induction field of the Coil 36 induces currents in the melting zone, which in turn generate a second induction field that is generated by the induction field of the coil 36 is repelled. Again, this is possible because of the conductivity of a Semiconductor in the liquid state is far higher than the conductivity in the solid state, thereby affecting this Way, the repulsion effect is sharply localized.
Bei der Durchführung des Verfahrens läßt man den Körper 10 der Länge nach durch die Schmelzzone durchlaufen, indem die Flügelschrauben 20 gelöst und die Rohre 16 und 18 nach oben durch die Kammer bewegt werden.In carrying out the process, the body 10 is passed lengthwise through the melt zone cycle by loosening the thumbscrews 20 and moving the tubes 16 and 18 up through the chamber will.
Die Heizspule 40 dient zusätzlich zu ihrer Verwendung zum Anheben des Spiegels der geschmolzenen Zone auch als Nachheizer, um das Silizium wärmezubehandeln, wenn es sich verfestigt. Dieser Effekt ist insbesondere für Halbleitermaterialien wertvoll, da die Kühlgeschwindigkeiten solcher Materialien nach der Kristallisation sorgfältig gesteuert werden müssen, um eine Beeinträchtigung der Kristallstruktur zu vermeiden. The heating coil 40 serves in addition to its use to raise the level of the molten Zone also acts as a post heater to heat treat the silicon as it solidifies. This effect is particularly valuable for semiconductor materials, since the cooling speeds of such materials depend on the crystallization must be carefully controlled in order to avoid impairment of the crystal structure.
Um Silizium wirksam mittels Induktion zu heizen, muß die Frequenz des Induktionsstromes über den normalerweise für Metalle verwendeten Wert hinaus erhöht werden. Es zeigt sich, daß eine Frequenz von etwa 3 Megahertz zufriedenstellende Ergebnisse liefert, wobei die erforderlicheLeistung in der Größenordnung von mehreren Kilowatt liegt. Infolge des hohen spezifischen Widerstandes von Silizium bei Raumtemperatur ist die Einleitung der Induktionserwärmung mitunter schwierig, und es zeigt sich, daß es vorteilhaft ist, das Silizium vorzuheizen (und hierdurch seinen spezifischen Widerstand zu vermindern), z. B. indem ein Gleichstrom durch die Rohre 16 und 18 sowie den Körper 10 geleitet wird.In order to heat silicon effectively by means of induction, the frequency of the induction current must be above the value normally used for metals can also be increased. It turns out that a frequency of about 3 megahertz gives satisfactory results, with the required power of the order of magnitude of several kilowatts. Due to the high specific resistance of silicon at room temperature induction heating is sometimes difficult to initiate and it is found to be advantageous is to preheat the silicon (and thereby reduce its resistivity), e.g. B. by a direct current is passed through tubes 16 and 18 and body 10.
Claims (2)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US844813XA | 1957-05-01 | 1957-05-01 |
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ID=22185228
Family Applications (1)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| GB844813A (en) | 1960-08-17 |
| FR1238717A (en) | 1960-08-19 |
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