DE1212495B

DE1212495B - Vorrichtung zum tiegellosen Zonenschmelzen von Halbleiterstaeben und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE1212495B
Application number: DES44956A
Authority: DE
Inventors: Dr Theodor Rummel; Dr Walter Heywang
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1955-07-28
Filing date: 1955-07-28
Publication date: 1966-03-17

Description

Vorrichtung zum tiegellosen Zonenschmelzen von Halbleiterstäben und Verfahren zu deren Betrieb Zum Umkristallisieren bzw. Reinigen von Halbleiterstäben hat sich das tiegellose Zonenschmelzverfahren bewährt. Dieses Verfahren besteht darin, daß der zu behandelnde Halbleiterstab in vertikaler Lage so gehaltert wird, daß nur an den Enden dieses Stabes eine Berührung mit den Halterungsorganen stattfindet und daß durch eine den Stab konzentrisch umgebende Wärmequelle der Stab längs einer im Vergleich zu seiner Gesamtlänge kurzen Zone aufgeschmolzen und die geschmolzene Zone durch eine Relativverschiebung zwischen Stab und Wärmequelle allmählich durch den gesamten Stab mit Ausnahme der mit den Halterungen in Berührung stehenden Teile geführt wird. Dabei ist bereits vorgeschlagen worden, als Wärmequelle eine den Stab längs seiner ganzen Länge umgebende, relativ zum Stab ruhende Induktionsspule und einen den Stab innerhalb der Induktionsspule umschließenden und relativ zu diesem axial verschiebbaren Graphitring zu verwenden, wobei der im Feld der Induktionsspule erhitzte Graphitring infolge Einstrahlung in dem Stab die geschmolzene Zone erzeugt. Bei dieser Anordnung tritt auf Grund der von dem Feld der Spule auf die geschmolzene Zone ausgeübten ponderomotorischen Kräfte eine zusammenhaltende Wirkung des Spulenfeldes auf die geschmolzene Zone auf.
Es ist jedoch vorteilhaft, auf die Vermittlung eines Heizringes bei der Erzeugung der geschmolzenen Zone zu verzichten und statt dessen die Induktionsspule so kurz zu gestalten, daß sie bei entsprechender Stromzufuhr durch unmittelbare Induktion den .Stab längs der gewünschten Zone aufschmilzt. Um die geschmolzene Zone durch den Stab hindurchzuführen, wird die Induktionsspule relativ zum Stab in Achsenrichtung des Stabes verschoben. Auch in diesem Falle tritt eine Kraftwirkung auf die geschmolzene Zone auf. Die Gestalt der magnetischen Feldlinien wird durch die Anwesenheit der Schmelzzone so verändert, daß diese an der Oberfläche der Schmelzzone dem Profil der Schmelzzone entspricht, also parallel zu diesem verlaufen, wie aus F i g. 1 ersichtlich ist. Verlaufen aber die magnetischen Kraftlinien parallel zur Oberfläche eines Körpers, so rufen sie eine Druckkraft auf diese Oberfläche aus. Da nun im mittleren Teil der geschmolzenen Zone zwischen Ausbauchung und der durch die Ausbauchung bedingten Einschnürung im oberen Teil der Schmelzzone ein Gebiet der Oberfläche der Schmelzzone existiert, bei dem die Feldkraft schräg nach unten drückt und deshalb eine die Schwerkraft unterstützende, die Ausbauchung vergrößernde Komponente hat, ist es zweckmäßig, die Druckkraft an dieser Stelle möglichst klein zu machen.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum tiegellosen Zonenschmelzen eines vertikal gehalterten Stabes aus halbleitendem Material durch eine sich über den Stabquerschnitt erstreckende und längs der Stabachse zu verschiebende geschmolzene Zone, die von den nicht aufgeschmolzenen Stabteilen frei getragen und von einer einzigen, den Stab koaxial umschließenden, mit Hochfrequenz betriebenen Spule mit einer der Länge der geschmolzenen Zone vergleichbaren Länge auf induktivem Wege erzeugt und gleichzeitig gestützt ist. Gemäß der Erfindung ist dabei vorgesehen, daß die die geschmolzene Zone umschließende Induktionsspule am unteren Teil der geschmolzenen Zone dichter als am oberen Teil gewickelt ist, wobei vorzugsweise die Spulenwindungen im unteren Teil einen kleineren Durchmesser als im oberen Teil der Spule besitzen.
Hierdurch wird erreicht, daß die Stützwirkung des Spulenfeldes am unteren Ende der Schmelzzone am intensivsten ist, während sie nach oben entsprechend der Abnahme des hydrostatischen Druckes in der Schmelzzone ebenfalls abnimmt, was in erheblichem Maße zu einer Vergleichmäßigung der Gestalt der Schmelzzone beiträgt.
Wenn die die geschmolzene Zone erzeugende Induktionsspule wie üblich gleichmäßig gewickelt ist, ist der Druck auf den mittleren und oberen Teil der Schmelzzone nicht kleiner als auf den unteren Teil dieser Zone. Dies ist in F i g. 1 dargestellt, wo ein Halbleiterstab 1 aus Germanium oder Silicium, der am oberen und unteren Ende gehaltert und während der Durchführung des Zonenschmelzverfahrens in Richtung des Pfeiles 2 gedreht wird, durch eine geschmolzene Zone 3 behandelt Wird. Die geschmolzene Zone zeigt in ihrem unteren Teil eine starke Ausbauchung, im oberen Teil dagegen eine Einschnürung. Die Feldlinien des von der Heizspule 4 erzeugten Feldes sind durch gestrichelte Linien dargestellt und haben sowohl im- oberen Teil der -Ausbauchung als auch dort, wo die Ausbauchung in die Taille übergeht, eine hohe Dichte und erzeugen dort eine hohe Druckwirkung.
Ist jedoch die Spule erfindungsgemäß etwa entsprechend F i g. 2 gestatlet, so daß also die Wicklungsdichte dieser Spule von unten nach oben abnimmt, so wird.der Felddruck von unten nach oben stark abnehmen, so daß sowohl die Ausbauchung als auch die Taille der Schmelzzone wesentlich schwächer 'ausgebildet sind, als dies bei einer von einer gleichmäßig gewickelten Spule erzeugten Schmelzzone von gleichen Abmessungen der Fall ist. Demzufolge wird auch die Oberfläche am Übergang zwischen Ausbauchung und Taille schwächer gegen die Vertikale geneigt und die nach unten gerichtete Komponente des Felddruckes.. an dieser Stelle erheblich abgeschwächt. Somit wird durch die Anordnung gemäß der Erfindung nicht nur die Stützkraft rationeller über die geschmolzene Zone verteilt, sondern auch ein gleichmäßigeres Profil der geschmolzenen Zone sowie eine erhöhte Sicherheit gegen ein Abtropfen erreicht.
In F i g. 2 bedeutet 5 die Spule, deren Wicklungsdichte von unten nach oben abnimmt, während gleichzeitig der Querschnitt der einzelnen Spulenwicklungen von unten nach oben zunimmt, wodurch die angestrebte Wirkung noch verstärkt werden kann.
Es empfiehlt sich ferner, unterhalb der Spule eine ringförmige Kühlschlange vorzusehen, so daß die Schmelzzone nicht über das untere Ende der Spule hinausragen kann. Zweckmäßig wird die Spule gemäß F i g. 2 in Richtung des Pfeiles 7 nach unten bewegt. Es empfiehlt sich dann außerdem, am oberen Ende der Spule Mittel zur zusätzlichen Erwärmung der Schmelzzone, z. B. durch Strahlung, vorzusehen, da dann der Verlauf der Erstarrungsfläche an der oberen Begrenzung der Schmelzzone abgeflacht wird, was für eine ungestörte Kristallbildung günstig ist. Schließlich kann es zweckmäßig sein, den oberen oder unteren Wicklungsteil der Spule mit Strömen unterschiedlicher Frequenz zu betreiben.
Schließlich ist auch die Anordnung eines Kurzschlußringes, der den umzuschmelzenden Stab oberhalb der eigentlichen, die geschmolzene Zone erzeugenden Induktionsspule konzentrisch umgibt, zweckmäßig. Dieser Ring wirkt infolge gegenläufiger, in ihm induzierter Ströme auf das elektromagnetische Feld in seiner unmittelbaren Umgebung schwächend ein: Es ist deshalb selbst bei Anwendung -einer zylindrischen, -homogen- gewickelten Spule möglich, .das elektromagnetische Feld, und damit dessen ponderomotorische Kräfte, am oberen Rand der geschmolzenen Zone in entsprechender Weise zu schwächen und auf diese Weise eine Kraftverteilung über die Oberfläche der geschmolzenen Zone und damit eine Gestalt der geschmolzenen Zone zu erzielen, die der vorteilhaften, durch eine Spule entsprechend F i g. 2 erreichten Kraftverteilung und damit der Gestalt der Schmelzzone ähnlich ist.

Claims

Patentansprüche:. 1. Vorrichtung zum tiegellosen Zonenschmelzen eines vertikal gehalterten Stabes aus halbleitendem Material durch eine sich über den Stabquerschnitt erstreckende und längs der Stabachse zu verschiebende geschmolzene Zone, die von den nicht aufgeschmolzenen Stabteilen frei getragen und von einer einzigen, den Stab koaxial umschließenden, mit Hochfrequenz betriebenen Spule mit einer der Länge der geschmolzenen Zone vergleichbaren Länge auf induktivem Wege erzeugt und gleichzeitig gestützt ist, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die die geschmolzene Zone umschließende Induktionsspule am unteren Teil der geschmolzenen Zone dichter als am oberen Teil gewickelt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Wicklungsteil von einer anderen Frequenz durchflossen ist als der obere.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenwindungen am unteren Ende der Spule einen geringeren Durchmesser aufweisen als am oberen Ende.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Induktionsspule ein Kurzschlußring angeordnet ist.
5. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Einkristallherstellung die Heizspule relativ zum Stab von oben nach unten bewegt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 686 864.