DE1849725U - Einrichtung zum tiegelfreien zonenschmelzen von lotrecht stehenden staeben aus halbleitermaterial. - Google Patents

Description

• Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von lotrecht stehenden Stäben aus Halbleitermaterial Halbleiteranordnungen wie Gleichrichter, Transistoren, Fotodioden und dergleichen werden bereits in großem Maße in der Elektrotechnik verwendet. Zu ihrer Herstellung. benötigt man große Mengen von hochreinem Halbleitermaterial, z. B. Silizium, Germanium oder intermetallische Verbindungen von Elementen der III. und V. Gruppe des periodischen Systems. Zur Gewinnung dieses hochreinen Halbleitermaterials wurden verschiedene Verfahren entwickelt, unter anderem das tiegelfreie Zonenschmelzen.
• Beim tiegelfreien Zonenschmelzen wird ein Stab aus Halbleitermaterial vorzugsweise lotrecht in zwei an seinen Enden angreifende Halterungen eingesetzt. Eine ringförmig den Halbleiterstab umgebende Heizvorrichtung, meistens eine Induktionsspule, wandert in Achsrichtung über die gesamte Länge des Stabes, wobei der innerhalb der Heizvorrichtung liegende Teil des Stabes aufgeschmolzen wird.
• In der Wanderungsrichtung der Schmelzzone wird an ihrer Vorderseite ständig neues Halbleitermaterial aufgeschmolzen, während an der gegenüberliegenden Seite ständig Halbleitermaterial erstarrt.
• Infolge der kristallinen Struktur des Materials tritt hierbei ein 'Reinigungseffekt von Fremdstoffen auf, der zu der einen Anwendung

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  des tiegelfreien Zonenschmelzens, nämlich zum Zonenreinigen führt.
• Eine weitere Anwendung ist das Einkristallzüchten, bei dem an das eine Ende eines polykristallinen Halbleiterstabes ein Einkristall angeschmolzen und von dieser Verschmelzungsstelle ausgehend eine Schmelzzone, eventuell mehrfach, durch die gesamte Länge des Halbleiters-stabes geführt wird. Außerdem kann das tiegelfreie Zonenschmelzen noch zum Zonenschmelznivellieren (zone-levelling) benutzt werden, bei dem eine Schmelzzone mehrfach über die gesamte Stablänge in beiden Richtungen geführt wird und die Konzentration bestimmter im Halbleitermateriäl vorhandener oder diesem zugesetzter Verunreinigungen über die gesamte Stablänge vergleichmäßigt wird, z. B. von Bor in Silizium, das in diesem einen Verteilungskoeffizienten von nahezu 1 aufweist. Wird das Zonenschmelzen in einem evakuierten Gefäß durchgeführt, so tritt zu den geschilderten Vorgängen noch ein zusätzlicher Reinigungseffekt durch Abdampfen von Fremdstoffen.
• NeuerUTlS Die betrifft eine Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von lotrecht stehenden Stäben aus Halbleitermaterial, insbesondere von Stäben über 15 mm Durchmesser, mit zwei an den Enden des Stabes angreifenden Halterungen sowie einer in Längsrichtung des Stabes beweglichen, diesen umschließenden Induktionsheizspule und ist dadurch gekennzeichnet, daß ein geschlossener, ebenfalls den Halbleiterstab umschließender, aus elektrisch leitendem Material bestehender Ring unterhalb der Heizspule in festem Abstand zu dieser angeordnet ist. Der Ring kann zweckmäßigerweise aus Silber bestehen, das eine gute Leitfähigkeit aufweist und gleichzeitig genügend rein hergestellt werden kann, so daß keine Verunreinigung des Halbleitermaterials durch den Ring auftritt.
• Durch die Anordnung eines geschlossenen Ringes aus elektrisch leitendem Material unterhalb der Heizspule wird die Länge der Schmelzzone, in Achsrichtung gemessen, erheblich vermindert. Da sich infolge der Kurzschlußströme in dem Ring ein Feld aufbaut, wird in dem innerhalb des Ringes gelegenen Teil des Halbleiterstabes das Feld der Heizspule kompensiert und demzufolge an dieser Stelle keine Heizwirkung mehr ausgeübt. Nur der oberhalb des Ringes gelegene Teil des Stabes kann aufgeschmolzen werden.
• Diese Verkürzung der Schmelzzone bringt verschiedene Vorteile mit sich. Bekanntlich wird die Schmelzzone durch Oberflächenkräfte zusammengehalten. Werden nun die innerhalb der Schmelzzone befindlichen Materialmengen zu groß, so kommt es zu einem Aufreißen der Oberfläche ; die Schmelzzone tropft ab. Dies führt dazu, daß man beim tiegelfreien Zonenschmelzen nicht über eine bestimmte Größe des Stabdurchmessers hinausgehen kann, weil dann die Gefahr des Abtropfens der Schmelzzone zu groß wird und an den mit der Arbeit Betrauten zu große Anforderungen hinsichtlich Aufmerksamkeit und Sorgfalt gestellt werden müssen. Die Verkürzung der Schmelzzone vermindert diese Gefahren und erlaubt damit die aus verfahrenstechnischen Gründen erwünschte Behandlung von Stäben größeren Durchmessers mit der erfindungsgemäßen Zonenschmelzeinrichtung.
• Die Gefahr des Abtropfens der Schmelzzone ist besonders stark bei der Abwärtsbewegung der Heizspule. Die bekannte birnenförmige Gestalt der Schmelze wird besonders stark ausgeprägt, und der am unteren Ende befindliche Wulst kann abreißen. Dies kommt daher, weil sich bei der Abwärtsbewegung die Wirkungen der Schwerkraft und des Magnetfeldes der Heizspule auf die Schmelzzone addieren, und zwar wirken sie besonders stark auf den Wulst. Bei Stäben von über 15 mm Durchmesser führt dies normalerweise dazu, daß nur die Aufwärtsbewegung der Heizspule zum Zonenschmelzen ausgenutzt werden kann.
• In Abwärtsrichtung wird die Spule dann mit verminderter Heizleistung bewegt, damit eine Glühzone für den Neubeginn des Zonenschmelzens erhalten bleibt. Die Anordnung gemäß der je stattet es nun, auch bei Stäben größeren Durchmessers sowohl die Auf-als auch die Abwärtsbewegung der Heizspule zum Zonenschmelzen zu benutzen. Dies bringt eine erhebliche Zeitersparnis mit sich, da man den Halbleiterstab nicht mehr nach der halben Anzahl der Zonendurchläufe umzukehren und danach die andere Hälfte der Zonendurchläufe in der im Verhältnis zum Stab entgegengesetzten Richtung durchzuführen braucht, wie es sonst z. B. beim Zonenschmelznivellieren unbedingt notwendig wäre, damit eine gleichmäßige Verteilung der Fremdstoffe über die Stablänge bewirkt wird.
• In der Zeichnung ist in Fig. 1 die Ausbildung der Schmelzzone in einem starken Halbleiterstab bei Verwendung einer bisher üblichen Zonenschmelzeinrichtung mit Flachspule dargestellt und in Fig. 2

  die Ausbildung der Schmelzzone bei Verwendung einer gemäß

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  wärtsbewegung der Heizspule. Die Heizspule 2 kann z. B. aus versilberten Kupferrohren bestehen, durch die Kühlwasser fließt. In Fig. 2 ist unterhalb der Heizspule 2 der aus einem kurzen Hohlzylinder bestehende Kurzschlußring 3 angebracht. Er ist mit einer Kühlschlange 6 versehen, welche in den Kühlkreislauf der Heizspule 2 einbezogen, jedoch mit dieser elektrisch nicht in Reihe geschaltet, sondern mittels einer Kurzschlußlasche 4 überbrückt ist, die dafür sorgt, daß nicht der Heizstrom der Spule 2 durch den Ring 3 fließt. Wie sich aus dem Vergleich der Fig. 1 und 2 ergibt, neigt die Schmelzzone 5 im ersten Fall zum Abtropfen, während diese Gefahr im zweiten Fall gebannt ist, da sich durch die erhebliche Verkürzung auch gleichzeitig eine Verminderung des unteren Wulstes eingestellt hat. 2 Patentansprüche 2 Figuren

Claims (3)

1. Sdhutzansprüche RMSSä : 1. Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von lotrecht stehenden Stäben aus Halbleitermaterial, insbesondere von Stäben über 15 mm Durchmesser, mit zwei an den Enden des Stabes angreifenden Halterungen sowie einer in Längsrichtung des Stabes beweglichen, diesen umschließenden Induktionsheizspule, dadurch gekennzeichnet, daß ein geschlossener, ebenfalls den Halbleiterstab umschließender, aus elektrisch leitendem Material bestehender Ring unterhalb der Heizspule in festem Abstand zu dieser angeordnet ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring aus Silber besteht.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring mit einer Kühleinrichtung versehen ist.