Vorrichtung zum Zonenschmelzen eines stabförmigen kristallinen Halbleiterkörpers
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zonenschmelzen eines stabförmigen kristallinen
Halbleiterkörpers mit Hilfe einer ringförmigen Heizeinrichtung, durch welche der
Stab hindurchgeführt wird, -und ist dadurch gekennzeichnet, daß koaxial zum Halbleiterstab
in einstellbarem Abstand hinter oder vor und hinter der Hauptheizeinrichtung ein
ringscheibenförmiger Reflektor oder vor und/oder hinter der Hauptheizeinrichtung
eine zusätzliche Hilfsheizeinrichtung oder daß auf der einen Seite der Hauptheizeinrichtung
ein Reflektor und auf der anderen Seite eine Hilfsheizeinrichtung angeordnet und
zugleich mit der Hauptheizeinrichtung relativ zum Stab beweglich sind. Damit können
Wärmeabfuhr und Temperaturverteilung an der Erstarrungsfront sowie auch die Form
der Erstarrungsfront nach Wunsch beeinflußt und unerwünschte Strukturversetzungen
vermieden oder wenigstens verringert werden.Device for zone melting a rod-shaped crystalline semiconductor body
The invention relates to a device for zone melting a rod-shaped crystalline
Semiconductor body with the aid of an annular heating device, through which the
Rod is passed through, -and is characterized in that coaxially to the semiconductor rod
at an adjustable distance behind or in front of and behind the main heating device
annular disc-shaped reflector or in front of and / or behind the main heating device
an additional auxiliary heater or that on one side of the main heater
a reflector and arranged on the other side and an auxiliary heater
are at the same time movable with the main heater relative to the rod. So can
Heat dissipation and temperature distribution on the solidification front as well as the shape
the solidification front influenced as desired and undesired structural dislocations
avoided or at least reduced.
Die Erfindung sei an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der die
F i g. 1 und 4 verschiedene Vorrichtungen zum Zonenschmelzen und die F i g. 2 und
3 Einzelheiten dazu in vergrößertem Maßstab zeigen. Nach F i g. 1 befindet sich
ein Stab 2 aus Halbleitermaterial, z. B. aus Germanium, in waagerechter Lage in
einem Schiffchen 3, das beispielsweise aus Quarz besteht. Dieses wiederum ist in
ein Quarzrohr 4 eingeschlossen, dessen Enden durch Stopfen 5 vakuumdicht verschlossen
sind. Die Stopfen 5 sind mit Stutzen zum Anschluß einer Vakuumpumpe oder zum Ein-
und Auslaß eines Schutzgases, z. B. Stickstoff oder Argon, versehen. Das Quarzrohr
4 ist auf Fahrgestellen 6 in Längsrichtung beweglich, welche auf Schienen 7 einer
Grundplatte 8 laufen. Auf der Grundplatte 8 ist ein Gestell 9 angeordnet, an welchem
ein z. B. aus Wolfram oder Molybdänblech bestehender Ringheizkörper 10 mit seinen
Anschlußfahnen befestigt ist. Der Ringheizkörper ist an eine nicht dargestellte
Gleich- oder Wechselspannungsquelle angeschlossen, die einen Heizstrom in der Größenordnung
von 100 A liefert, wodurch ein verhältnismäßig kurzes Stück des Stabes 2 zum Schmelzen
gebracht wird. Diese verflüssigte Zone ist in F i g. 1 mit 11 bezeichnet. Ihre Länge
beträgt je nach dem Umständen 5 bis 20 mm. Wird nun das Quarzrohr 4 mit seinem Inhalt
mit einer Geschwindigkeit von 0,5 bis 5 mm/min in Richtung des Pfeiles 12 bewegt,
so wandert die flüssige Zone 11 in Richtung des Pfeiles 13 langsam durch den Stab
2 der Länge nach hindurch. Eine derartige Einrichtung ist bekannt. Es ist ferner
bekannt, zur Erzielung eines Einkristalls zunächst einen einkristallinen Impfling
14 an einem Ende des Stabes 2 anzuschmelzen und an dieser Stelle den Zonenschmelzvorgang
beginnen zu lassen.The invention will be explained in more detail with reference to the drawing, in which the
F i g. 1 and 4 different devices for zone melting and FIGS. 2 and
3 show details on an enlarged scale. According to FIG. 1 is located
a rod 2 of semiconductor material, e.g. B. of germanium, in a horizontal position in
a shuttle 3 made of quartz, for example. This in turn is in
a quartz tube 4 is included, the ends of which are closed by plugs 5 in a vacuum-tight manner
are. The plugs 5 are equipped with a nozzle for connecting a vacuum pump or for
and outlet of a protective gas, e.g. B. nitrogen or argon provided. The quartz tube
4 is movable on chassis 6 in the longitudinal direction, which on rails 7 a
Base plate 8 run. On the base plate 8, a frame 9 is arranged on which
a z. B. of tungsten or molybdenum sheet existing ring heater 10 with his
Terminal lugs is attached. The ring heater is attached to a not shown
Direct or alternating voltage source connected, which has a heating current in the order of magnitude
of 100 A, whereby a relatively short piece of the rod 2 for melting
is brought. This liquefied zone is shown in FIG. 1 denoted by 11. Your length
is 5 to 20 mm depending on the circumstances. Now the quartz tube 4 with its contents
moved at a speed of 0.5 to 5 mm / min in the direction of arrow 12,
so the liquid zone 11 migrates slowly in the direction of arrow 13 through the rod
2 lengthways through it. Such a device is known. It is further
known, to obtain a single crystal, first a single crystal seed
14 to melt at one end of the rod 2 and at this point the zone melting process
begin to let.
Zur Beeinflussung der Kühlverhältnisse ist nahe der Erstarrungsfront
ein Wärmeschirm oder Reflektor 15 zwischen der Heizeinrichtung 11 und dem bereits
erstarrten Teil des Stabes angebracht und am Gestell 9 in geeigneter Weise befestigt.
Dieser Reflektor 15 ist ringförmig ausgebildet. Er besteht z. B. aus Nickelblech,
bei höherer Beanspruchung kann auch Molybdän- oder Wolframblech verwendet werden.To influence the cooling conditions is close to the solidification front
a heat shield or reflector 15 between the heater 11 and the already
solidified part of the rod attached and attached to the frame 9 in a suitable manner.
This reflector 15 is ring-shaped. It consists e.g. B. made of sheet nickel,
If the load is higher, molybdenum or tungsten sheets can also be used.
Eine weitere Ausführungsform ist in F i g. 2 dargestellt. Hiernach
besteht der Reflektor 15 aus Kupferblech, das auf der der Heizeinrichtung 10 zugekehrten
Vorderseite zwecks Verbesserung der Reflektion versilbert und auf der Rückseite
mit einer angelöteten Kühlschleife 16 aus Kupferrohr versehen ist. Für den Fall,
daß als Heizeinrichtung 10 eine Induktionsspule verwendet wird, ist der Reflektor
15 mit einem Schlitz versehen. F i g. 3 zeigt einen derartigen Reflektor 15 von
der Rückseite. Das Rohr 16 wird von Kühlwasser durchströmt.Another embodiment is shown in FIG. 2 shown. After that
If the reflector 15 is made of sheet copper, the one facing the heating device 10
Silver-plated on the front to improve reflection and on the back
is provided with a soldered cooling loop 16 made of copper pipe. In the case,
that an induction coil is used as heating device 10 is the reflector
15 provided with a slot. F i g. FIG. 3 shows such a reflector 15 from FIG
the back. The pipe 16 is traversed by cooling water.
Es kann auch ein zweiter gleichartiger Reflektor an der anderen Grenzfläche
der Schmelzfront der flüssigen Zone angeordnet sein.A second reflector of the same type can also be used at the other interface
be arranged on the melt front of the liquid zone.
Bei der Vorrichtung nach F i g. 1 bzw. 2 ist statt dessen in der Nähe
der Schmelzfront eine zusätzliche Heizeinrichtung 17 zur Vorheizung des zu schmelzenden
Stabteiles vorgesehen. Diese kann aus dem gleichen Material und in der gleichen
Form als Ringstrahler hergestellt und, wie dargestellt, in der gleichen Weise befestigt
sein wie die Hauptheizeinrichtung 10; die Vorheizeinrichtung 17 besteht jedoch aus
einem Blech von geringerem Querschnitt, so daß sie bei Anschluß an die gleiche Spannungsquelle
schwächer aufgeheizt wird als der Hauptheizkörper 10. Während der letztere bei Germanium
beispielsweise
bis auf eine Temperatur von etwa 1200° C erhitzt
wird, liegt die Temperatur der Vorheizung etwa 200 bis 300° C darunter. Durch die
Vorheizung wird auch die Lage der anderen Grenzfläche der flüssigen Zone, der Schmelzfront,
stabilisiert, und in der flüssigen Zone selbst werden stabilere Temperaturverhältnisse
hergestellt, indem Temperaturschwankungen ferngehalten werden, die sich ohne diese
Maßnahme beispielsweise dadurch- ergeben können, daß sich die Länge des herausragenden
Germaniumstückes auf dieser Seite während des Ziehvorganges laufend ändert. Es ist
natürlich auch möglich, einen zweiten Vorheizkörper auf der anderen Seite der flüssigen
Zone, d. h. also an Stelle des Reflektors 15, anzuordnen: In F i g. 4 ist ein weiteres
Ausführungsbeispiel dargestellt. Es handelt sich hier um das tiegelfreie Zonenschmelzen.
eines Halbleiterstabes, das vorzugsweise für die Behandlung von Silicium wegen seines
hohen Schmelzpunktes von etwa 1400° C angewendet wird. Der Halbleiterstab 2 ist
hierbei 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 eine Grundplatte 22, welche auf einem Gestell 23 ruht, vakuumdicht
hindurchgeführt und sowohl drehbar als auch unabhängig davon in Achsrichtung _ verschiebbar,
ebenso die Welle 21, die durch den oberen Teil einer Gehäuseglocke 24 hindurchgeführt
ist. Das Gehäuse 24 ruht vakuumdicht auf der Grundplatte 22. An der Grundplatte
befindet sich ein. Stutzen 25, durch welchen der Innenraum der Einrichtung luftleer
gemacht oder mit Schutzgas gefüllt werden kann. Auf der Grundplatte ist ein Führungsgestell
26 befestigt, auf dem ein Schlitten 27 gleitet; der durch eine Spindel 28 auf und
ab bewegt werden kann. Die Welle der Spindel 28 ist ebenfalls durch, die Grundplatte
22 hindurchgeführt und wird von inem Hilfsmotor 29 über ein rtlbersetzungsgetriehe.30
angetrieben, beispielsweise derart, daß sich der Schlitten mit einer Geschwindigkeit
von 0,5 bis ,5 mm/min in Richtung des Pfeiles 13 nach oben bewegt. An dem Schlitten
27 ist eine Heizvorrichtung 31 befestigt, z. B. eine Spule aus Kupferrohr, die mit
einem hochfrequenten Strom gespeist und von Kühlwasser durchströmt wird: Unterhalb
der Heizspule 31 ist ein Reflektor 15 angebracht und mittels des Kühlwasserrohres
16 ebenfalls am Schlitten 27 befestigt. Zur Vorwärmung ist ein geschlossener Ringkörper
32 vorgesehen, der mit einer angebogenen Fahne am Schlitten 27 be-, festigt ist
und durch die Spüle 31 auf induktivem Wege mitaufgeheizt wird. Mit der Heizspule
31 wandert die flüssige Zone 11 in Richtung des Pfeiles 13 von unten nach oben durch
den Stab hindurch.In the device according to FIG. 1 or 2, an additional heating device 17 is instead provided in the vicinity of the melt front for preheating the rod part to be melted. This can be made of the same material and in the same shape as a ring radiator and, as shown, be attached in the same way as the main heating device 10; However, the preheating device 17 consists of a sheet of smaller cross-section, so that it is heated less than the main heating element 10 when connected to the same voltage source the preheating about 200 to 300 ° C below. The preheating also stabilizes the position of the other boundary surface of the liquid zone, the melt front, and more stable temperature conditions are established in the liquid zone itself by keeping away temperature fluctuations which, without this measure, can for example result from the length of the protruding germanium piece on this side changes continuously during the drawing process. It is of course also possible to arrange a second preheater on the other side of the liquid zone, ie in place of the reflector 15: In FIG. 4 shows a further exemplary embodiment. This is crucible-free zone melting. a semiconductor rod, which is preferably used for the treatment of silicon because of its high melting point of about 1400 ° C. The semiconductor rod 2 is expediently clamped in a vertical position between two holders 18 and 19, which are seated at the ends of shafts 20 and 21. The shaft 20 is passed through a base plate 22, which rests on a frame 23, in a vacuum-tight manner and is both rotatable and, independently thereof, displaceable in the axial direction, as is the shaft 21, which is passed through the upper part of a bell housing 24. The housing 24 rests on the base plate 22 in a vacuum-tight manner. A is located on the base plate. Nozzle 25 through which the interior of the device can be evacuated or filled with protective gas. A guide frame 26, on which a slide 27 slides, is attached to the base plate; which can be moved up and down by a spindle 28. The shaft of the spindle 28 is also passed through the base plate 22 and is driven by an auxiliary motor 29 via a transmission gear 30, for example in such a way that the carriage moves at a speed of 0.5 to .5 mm / min in the direction of the arrow 13 moved up. A heating device 31 is attached to the carriage 27, e.g. B. a coil made of copper pipe, which is fed with a high-frequency current and is traversed by cooling water: Below the heating coil 31, a reflector 15 is attached and also attached to the carriage 27 by means of the cooling water pipe 16. A closed ring body 32 is provided for preheating, which is attached to the slide 27 with a bent flag and which is also heated inductively by the sink 31. With the heating coil 31, the liquid zone 11 migrates in the direction of the arrow 13 from bottom to top through the rod.