DE1960088B2 - Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes - Google Patents

Description

senkrechten Ebene liegen, kommt es infolge der ungleichmäßigen Verteilung des von der flachen Spule

25 ausgehenden Feldes zum periodischen Erstarren und

WiederaufschmeJzen des Materials an der Rekristallisalionsfront zum rekristallisierten Stabteil. Diese

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum tie- Erscheinung ist besonders ausgeprägt, wenn die

gelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes Längsachse der Stabhalterung für den Keimkristall

mit zwei Halterungen für den kristallinen Stab, von 30 mit dem rekristallisierten Stabteü und damit die

denen eine Halterung um ihre Längsachse drehbar Längsachse des rekristallisierten Stabteiles während

ist, und mit einer die Längsachse der anderen Halte- des Schmelzzonendurchganges durch den kristallinen

rung umschließenden mehrwind.^en Induktionsheiz- Stab zu den Längsachsen des kristallinen Stabes und

spule, deren Windungen in einer Ebene liegen, zum der Stabhalterung, in der dieser Stab befestigt ist,

Beheizen der Schmelzzone im kristallinen Stab. 35 seitlich versetzt ist. Dieses periodische Erstarren und

Aus den deutschen Auslegeschriften 1 263 698 und Wiederaufschmelzen des Materials an der Rekristal-1 275 032 sind Verfahren zum tiegelfreien Zonen- lisationsfront des einkristallin rekristallisierten Stabschmelzen eines kristallinen Stabes mit einer flachen teiles ist die Ursache für Versetzungen in diesem Induktionsheizspule bekannt, deren Windungen in Stabteil.

einer zu der Stabachse senkrechten Ebene liegen. 4° Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Durch eine Relativbewegung zwischen dem lotrecht Abhilfe zu schaffen und insbesondere das Erzeugen angeordneten Stab und der diesen Stab umschließen- sehr dicker stabförmiger Einkristalle mit stark verden Induktionsheizspule in Richtung der Längsachse besserter Kristallqualität durch tiegelfreies Zonendes kristallinen Stabes wird eine Schmelzzone ausge- schmelzen mit einer flachen Induktionsheizspule zu hend von der Anschmelzstelle eines einkristallinen 45 ermöglichen.

Keimkristalls am unteren Ende des kristallinen Sta- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gebes durch diesen kristallinen Stab hindurchbewegt. löst, daß die Induktionsheizspule zu den Längsach-Hierbei wird die Stabhalterung mit dem einkristalli- sen der beiden Stabhalterungen so geneigt angeordnen Keimkristall um ihre Längsachse gedreht. Durch net ist, daß sich ein spitzer Winkel zwischen den das tiegelfreie Zonenschmelzen wird der kristalline 50 Normalen der Windungsebene und den Längsachsen Stab in einen Einkristall verwandelt und von be- der beiden Stabhalterungen mit einem Wert im Bestimmten Fremdstoffen gereinigt. reich von 0,5° bis 3° ergibt. Günstigerweise schließt

Eine flache Induktionsheizspule mit in einer die Normale der Windungsebene mit den Längsach-Ebene liegenden Windungen hat den Vorzug, daß sie sen der Stabhalterungen einen Winkel im Bereich eine verhältnismäßig kurze Schmelzzone im kristalli- 55 von 1° bis 1,5° ein.

nen Stab erzeugt. Dies verringert insbesondere beim Vorteilhaft ist die um ihre Längsachse drehbare

tiegelfreien Zonenschmelzen relativ dicker kristalli- Stabhalterung, die für den rekristallisierten Stabteil

ner Stäbe die Gefahr des Abtropfens der Schmelz- vorgesehen ist, seitlich verschiebbar,

flüssigkeit. Durch die schräge Anordnung der flachen Induk-

Nach der deutschen Auslegeschrift 1 263 698 kann 60 tionsheizspule bezüglich der Längsachsen der Stabdiese Gefahr weiter verringert werden, wenn die halterungen wird die Wachstumsgeschwindigkeit des lichte Weite der flachen Induktionsheizspule kleiner einkristallin rekristallisierten Stabteiles vergleichmä-

ist als der Durchmesser des aufzuschmelzenden kri- ßigt und daher seine Kristallqualität verbessert,

stallinen Ausgangsstabes und wenn der Keimkristall Das Stabende, an dem der rekristallisierte Stabteil

nach Erzeugen der Schmelzzone an der Anschmelz- 65 aufwächst, wird in der um ihre Längsachse drehba-

stelle am kristallinen Stab und vor dem Schmelzzo- ren Halterung befestigt, und diese Halterung wird

nendurchgang seitlich in eine neue Ausgangslage ver- nach dem Erzeugen der Schmelzzone in Umdrehung

schoben wird. In diesem Fall bildet sich eine einge- um ihre Längsachse versetzt. Günstigerweise kann

diese Halterung sodann in eine neue Ausgangslage Stabteil 2« aufspannt (Zeichenebene). Während des innerhalb eines spitzen Winkels seitlich verschoben seitlichen Verschieben» wird die Halterung 6 mit dem werden, den die Windungsebene der flachen Induk- aufzuschmelzenden Stabteil 2 a etwas auf die Induktionsheizspule und die Längsachse der anderen Hai- tionsheizspule 10 zu bewegt. Durch eine Relativbeterung für den aufzuschmelzenden Stabteil auf der 5 wegung zwischen den Stabhalterungen 5 und 6 einerder drehbaren Halterung mit dem rekristallisierten seits und der Induktionsheizspule andererseits, z.B. Stabteil zugewandten Seite der Windungsebene mit- durch Verschieben der Stabhalterungen von oben einander bilden. nach unten bei feststehender Induktionsheizspule 10,

Die Ei findung und ihre Vorteile seien an Hand wird die Schmelzzone 8 sodann durch den Siliciumder Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher w stab 2 ausgehend von der Anschmelzstelle des Keimerläutert: kristalls3 bei seitlich zueinander versetzten Stabhal-

F i g. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung terungen hindurchbewegt. Da die lichte Weite der Inzum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen duktionsheizspule 10 kleiner ist als der Durchmesser Stabes. des aufzuschmelzenden Stabteiles 2 a, ist die

Die F i g. 2 bis 4 zeigen den Rand von Rekristalli- 15 Schmelzzone 8 eingeschnürt. F i g. 1 zeigt ein Mosationsfronten an beim tiegelfreien Zonenschmelzen mentanbild während des Schmelzzonendurchganges rekristallisierten Stabteilen. durch den Halbleiterstab 2,

Die Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen Die F i g. 2 bis 4 verdeutlichen die Wirkung einer

nach F i g. 1 weist mit Stabhalterungen 5 und 6 verse- schräg zu den Längsachsen der Stabhalterungen anhene Antriebswellen 4 und 7 mit parallelen vertikalen 20 geordneten flachen Induktionsspule. In diesen Figu-Längsachsen 4 α und 7 α auf. Die Wellen 4 und 7 mit ren ist jeweils eine Momentanbild der Rekristallisaden Halterungen 5 und 6 sind in einem nicht darge- tionsfront zwischen der Schmelzzone und dem rekristellten, evakuierten oder mit Schutzgas gefüllten Re- stallisierten Stabteil beim tiegelfreitn Zonenschmelzipienten angeordnet. Die Wellen 4 und 7 sind in ab- zen eines kristallinen Stabes mit einer flachen Indukgedichteten Durchführungen der Rezipientenwand 25 tionsheizspule bei seitlich versetzter Halterung für drehbar und in axialer Richtung verschiebbar gela- den rekristallisierten Stabteil dargestellt,
gert. Die Welle4 mit der Stabhalterung5 ist außer- Fig.2 zeigt die Rekristallisationsfront 11, wenn

dem seitlich, d. h. senkrecht zu ihrer Längsachse 4 α die Ebene der flachen Induktionsheizspule senkrecht und zur Längsachse 5 α der Halterung 5, verschieb- zu den Längsachsen der Stabhalterungen und damit bar. Die Längsachse 6 α der Halterung 6 fluchtet mit 3° auch zu den Längsachsen der beiden Stabteile ander Längsachse 7 α und die Längsachse 5 α der Hai- geordnet ist. Wie man erkennt, weist die Rekristalliterung 5 mit der Längsachse 4 a. sationsfront 11 in die Schmelzflüssigkeit der

Die Vorrichtung nach F i g. 1 weist ferner eine Schmelzzone 8 hineinragende sägezahnartige Zacken flache Induktionsheizspule 10 auf, die die Längs- 12 auf. Während einer Umdrehung des rekristallisierachse 6 α der oberen Stabhalterung 6 umschließt und 35 ten Stabteiles 2 b um seine Längsachse in Richtung deren Windungen 21 in einer Ebene liegen. Diese des Pfeiles 19 schmilzt und erstarrt das Material an Windungsebene ist schräg zu den Längsachsen 5 α einer Flanke 13 der Zacken 12 periodisch, so daß die und 6 α der Halterungen 5 und 6 angeordnet, d. h. gleichmäßige Kristallwachstumsgeschwindigkeit geihre Normalen 10 a schließen mit den Längsachsen stört ist, was zu Versetzungen im rekristallisierten 5 a und 6 a einen spitzen Winkel« ein. Die Induk- 4° Stabteil 2 b führt.

tionsheizspule 10 wird aus einem nicht dargestellten Wie F i g. 3 zeigt, weist die Rekristallisationsfront

Hochfrequenzgenerator mit hochfrequentem Wech- 11 nur noch flache, wellenförmig abgerundete Erheselstrom gespeist. bungen auf, wenn die Windungsebene der Induk-

Ein Siliciumstab 2 mit einem an seinem unteren tionsheizspule schräg zu den Längsachsen der Stab-Ende angeschmolzenen Keimkristall 3 ist vertikal in 45 halterungen ist und ihre Normale mit der Längsachse den Halterungen 5 und 6 befestigt. Der aufzuschmel- der Stabhalterung für den rekristallisierten Stabteil zende Stabteil 2 α ist in der oberen drehbaren Halte- 2 b einen von Null verschiedenen spitzen Winkel einrung 6 eingespannt, während der einkristalline Keim- schließt. An der wellenförmigen Rekristallisationskristall 3 mit dem rekristallisierten Stabteil 2 b in der front 11 in F i g. 3 schmilzt und erstarrt nur noch weunteren, ebenfalls drehbaren Halterung 5 befestigt 50 nig Material periodisch,
ist. Wie F i g. 4 zeigt, ist es besonders günstig, wenn

An der Anschmelzstelle des Keimkristalls 3 am Si- die Normale auf der Ebene der Windungen der Inliciumstab 2 wird zunächst mit Hilfe der Induktions- duktionsheizspule mit der Längsachse der Stabhalteheizspule 10 eine Schmelzzone 8 erzeugt. Sodann rung für den rekristallisierten Stab einen Winkelbewerden die Stabhalterungen 5 und 6, deren Längs- 55 reich von 0,5° bis 3° einschließt. In diesem Fall ist achsen 5a und 6a zunächst fluchten, z.B. in entge- die Reivristallisationsfront 11 praktisch eben, so daß gengesetzter Richtung in Umdrehung um ihre Längs- die Kristallwachstumsgeschwindigkeit praktisch achsen versetzt. Hierauf wird die untere Stabhalle- gleichmäßig und der rekristallisierte Stabteil 2 b rung 5 seitlich in eine neue Ausgangslage innerhalb höchstens wenig Versetzungen aufweist,
eines spitzen Winkels β verschoben, den die Längs- 60 Zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines 33 mm achse 6a der Halterung6 mit der Windungsebene dicken ?iliciumstabes2 ist z.B. die Induktionsheizder Induktionsheizspule 10 auf der der Halterung 5 spule 10 in der Vorrichtung nach F i g. 1 eine flache zugewandten Seite der Windungsebene einschließt. Spiralspule mit vier Windungen, welche eine lichte Die neue Ausgangstage der Stabhalterung 5 wird vor- Weite von 29 mm hat. Der spitze Winkel <* zwischen teilhaft so gewählt, daß die Längsachse 5 α innerhalb 65 den Normalen 10 α auf der Windungsebene der Inder Ebene liegt, die der spitze Winkel« zwischen der duktionsheizspule 10 und den Längsachsen 5 α und Normalen 10 a der Windungsebene und der Längs- 6 a der Stabhalterungen 5 und 6 beträgt 1°. Die achse 6 α der Halterung 6 für den aufzuschmelzenden Stabhalterung 5 wird nach Erzeugen der Schmelz-

zone 8 an der Anschmelzstelle des Keimkristalls 3 am Siliciumstab2 so innerhalb des spitzen Winkels/? verschoben, daß die Längsachsen 5 a und 6 a der beiden Stabhalterungen 5 und 6 in der neuen Ausgangslage einen Abstand von 7 mm haben. Die Längsachse 5 α der Stabhalterung 5 liegt in der neuen Ausgangslage innerhalb der Ebene, die der Winkel« aufspannt. Die Schmelzzone 8 wird mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 2 mm pro Minute durch den Siliciumstab 2 hindurchbewegt. Während des Schmelzzonendurchganges wird die Stabhalterung 5 mit dem rekristallisierten Stabteil 2 b fortlaufend um 2 mm 20mal pro Minute um die neue Ausgangslage seitlich hin und her bewegt.

In der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann auch ein rekristallisierter Stab gewonnen werden, dessen Durchmesser kleiner oder größer ist als der Durchmesser des Ausgangsstabes.

Ein Anschlußleiter der Induktionsheizspule 10 kann auch als Teilwindung, z. B. als Viertelwindung, außerhalb der Windungsebene ausgebildet sein. Diese Teilwindung befindet sich in Höhe des Schmelzrandes9 am aufzuschmelzenden Stabteil la auf der Seite der Windungsebene, die der Halterung 6 für den aufzuschmelzenden Stabteil la zugewandt ist. Wird die Halterung6 z.B. mit einer Geschwindigkeit von 0,1 bis 1 Umdrehungen pro Minute um ihre

ίο Längsachse 6 a in Richtung Teilwindung/Windungen der Induktionsheizspule 10 gedreht, so wird durch das von der Teilwindung ausgehende Feld verhindert, daß sich am Schmelzrand 9 starre Spitzen ausbilden, die z.B. die Windungen der fluchen Induktionsheizspule 10 unter Verursachung eines Kurzschlusses berühien würden, wenn die lichte Weite dieser Spule kleiner ist als der Durchmesser des aufzuschmelzenden Stabteiles 2 α.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 2 schnürte Schmelzzone mit relativ wenig Schmelzflüs- Patentansprüche: sigkeit. Nach der deutschen Auslegeschntt 1 275 032 wird

1. Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmel- die Dicke des aus der Schmelze rekristallisierten zen eines kristallinen Stabes mit zwei Halterun- 5 Stabteiles über die lichte Weite der Heizeinrichtung gen für den kristallinen Stab, von denen eine hinaus vergrößert, indem die Halterung für den Halterung um ihre Längsachse drehbar ist, und Keimkristall mit dem rekristallisierten Stabteil nrch mit einer die Längsachse der anderen Halterung Erzeugen der Schmelzzone an der Anschmelzstelle umschließenden mehrwindigen Induktionsheiz- des Keimkristalls am kristallinen Stab um ihre spule, deren Windungen in einer Ebene liegen, io Längsachse gedreht, seitlich in eine neue Ausgangszum Beheizen der Schmelzzone im kristallinen lage verschoben und während des Schmelzzonen-Stab, dadurch gekennzeichnet, daß durchganges durch den kristallinen Stab fortlaufend die Induktionsheizspule zu den Längsachsen der um diese neue Ausgangslage seitlich hin- und herbebeiden Stabhalterungen so geneigt angeordnet ist, wegt wird. Ein so gewonnener rekristallisientr Stab daß sich ein spitzer Winkel zwischen den Norma- 15 kann einen relativ großen Durchmesser haben und len der Windungsebene und den Längsachsen der zeichnet sich außerdem durch eine besonders gleichbeiden Stabhalterungen mit einem Wert im Be- mäßige Fremdstoffkonzentration aus.

reich von 0,5° bis 3° ergibt. Beim Erzeugen eines besonders dicken einkristalli-

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- nen Stabes durch tiegelfreies Zonenschmelzen mit kennzeichnet, daß die um ihre Längsachse dreh- 20 einer flachen Induktionsheizspule, deren Windungen bare Stabhalterung, die für den rekristallisierten in einer zu den Längsachsen der Stabhalterungen und Stabteil vorgesehen ist, seitlich verschiebbar ist. damit zu der Längsachse des kristallinen Stabes