DE2628048A1

DE2628048A1 - Verfahren zum tiegelfreien zonenschmelzen eines halbleiterkristallstabes

Info

Publication number: DE2628048A1
Application number: DE19762628048
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Rer Nat Keller
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1976-06-23
Filing date: 1976-06-23
Publication date: 1977-12-29
Also published as: DE2628048C2

Description

Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines Halbleiter-
kristallstabca.
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines an seinen beiden Enden gehalterten Halbleiterkristallstabes, vorzugsweise aus Silicium, bei dem die Schmelzzone mit Hilfe einer den Stab umgebenden Induktionsheizspule erzeugt wird, wobei ein aus der Induktionsheizspule und einer parallelgeschalteten Kapazität gebildeter Heizkreis an den Ausgangskreis eines Hochfrequenzgenerators angekoppelt ist.
Ein solches Verfahren ist aus der US-PS 3.271.551 (=VPA 63/1582) zu entnehmen. Dabei wird zur Vermeidung von Regelfehlern bei größeren Stabdurchmessern die Frequenz des Hochfrequenzgenerators bei flüssiger Schmelzzone so eingestellt, daß der Hochfrequenzgenerator stets auf der kapazitiven Flanke der Resonanzkurve des Heizkreises arbeitet. Dadurch erhält man eine mechanische Selbststabilisierung, d.h., eine Bedämpfung mechanischer Schwingungen von Kristallstab und Schmelz zone durch die elektrodynamischen Kräfte der Schmelzspule. Beim Vorheizen des der Schnelzspule zugeführten Vorratsstabteils auf der kapazitiven Flanke stellt sich dagegen ein thermisch instabiles, sich selbst hochschaukelndes System ein. Dadurch erfolgt die Wärmeübernahme so rasch, daß der Vorratsstabteil Risse bildet und sogar zerspringen kann.
Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, besteht nun darin, die Frequenzregelang so einzustellen, daß einerseits keine Vibrationen des wachsenden, versetzungsfreien, dicken Einkristallstabes durch elektrodynamisches Aufschaukeln entstehen und andererseits auch gewährleistet ist, daß dem Vorratsstabteil zur Vermeidung von Rissen und Sprüngen in entsprechend dosierter reise die zum Aufschmelzen erforderliche Wärmeenergie zugeführt wird.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gelöst, daß der Hochfrequenzgenerator beim Aufheizen des noch festen Vorratsstabteils auf der induktiven und - nach Umschalten der Regelautomatik - beim Ziehen des Stabes aus der flüssigen Schmelzzone auf der kapazitiven Arbeitsflanke der Resonanzkurve des Heizkreises arbeitet. Je nach Einstellung der Generatorfrequenz kann also die Hochfrequenzleistung auf der induktiven oder auch auf der kapazitiven Flanke der Resonanzkurve des Heizkreises in weitem Bereich geregelt werden. Der Regelsinn kehrt sich allerdings beim Übergang auf die andere Flanke um. Durch die Maßna>me, daß beim Aufheizen des Vorratsstabteils der Arbeitspunkt auf der induktiven Flanke liegt, wird ein sanftes und doch schnelles Aufheizen erreicht. Entsprechend wird beim Ziehen des Stabes aus der Schmelzzone dadurch, daß der Arbeitspunkt auf der kapazitiven Flanke liegt, eine mechanische Selbststabilisierung von Schmelzzone und Stab erzielt, welche zur Dlmpfung der mechanischen Schwingungen fuhrt und beim rekristallisierten Stabteil ein versetzungsfreies Kristallwachstum ermöglicht.
Um die Blindströme in den Zuleitungen möglichst klein zu halten, ist in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgesehen, daß der Arbeitspunkt beim Aufheizen des Vorratsstabteils auf der induktiven Flanke auf dem mit zunehmender Frequenz steigenden Ast der Strom- bzw. Spannungskurve und der Arbeitspunkt beim Ziehen aus der Schmelze auf der kapazitiven Flanke auf dem fallenden Ast der Strom- bzw. Spannungskurve in die Nähe des Resonanzpunktes gelegt wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung ist es bei hochohmigen Halbleitermaterial notwendig, zur Verbesserung der Aufheizwirkung zusätzlich zur Induktionsheizspule einen, den Vorratsstabteil im Bereich der Induktionsheizspule umgebenden Graphitheizring zu verwenden.
Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf das Schaltbild nach Fig. 1 und das Diagramm nach Fig. 2 Bezug genommen.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Siliciumkristallstab 2, der von einer Induktionsheizspule 3 in Form siner Flachspule umschlossen ist und in an sich bekannter Weise einem Zonenschmelzprozeß unterworfen wird. Durch induktive Beheizung wird im Stab 2 eine Schmelzzone 4 erzeugt. Der Induktionsheizspule 3 ist eine Kapazität 5 parallelgeschaltet, welche mit der Spule einen Heizkreis bildet. Zur Messung der HF-Spannung am Heizkreis ist ein Spannungsmeßgerät 6 (Us) angeschlossen. Der Heizkreis ist an den Hochfrequenzgenerator 7 angekoppelt, dessen frequenzbestimmender Parallelresonanzkreis durch eine veränderbare Kapazität 8 und eine Induktivität 9 gebildet wird. Die veränderliche Kapazität 8 sowie die Spule 3 sind geerdet (10, ii). Der Hochfrequenzgenerator 7 ist über eine I)rosselspule 12 an die Anodengleichspannung angeschlossen. Der Generator liefert beispielsweise eine HF-Leistung von max. 20 kW und ist in einem Frequenzbereich von 2,2 bis 3,5 MHz durch Regeln der Kapazität 8 verstellbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Fig. 2 graphisch in etwas vereinfachter Form dargestellt. In diesem Diagramm ist auf der Abszisse die Frequenz f und auf der Ordinate die am Heizresonanzkreis stehende Spannung Us (= U1 oder Uc) aufgetragen. Die dargestellte kurve ist die Resonanzkurve des in Fig. 1 dargestellten Heizresonanzkreises. Erfindungsgemäß wird die Regelautomatik so ausgebildet, daß eine Regelung sowohl auf der induktiven (I) als auch nach entsprechender Umpolung der Regelautomatik auf der kapazitiven (II) Flanke möglich ist. Der Durchlauf der Schmelzzone durch den Siliciumstab erfolgt von unten nach oben, wobei auf der kapazitiven Flanke gearbeitet wird, während beim Vorheizen des Vorratsstabteils auf der induktiven Flanke gearbeitet wird. Dabei wird gemäß einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung sowohl beim Aufheizen des Vorratsstabteils als auch beim Ziehen des rekristallisierten Stabteils aus der Schmelze auf einem Punkt der Resonanzkurve gearbeitet, der beim Aufheizen durch eine Frequenz f1 und eine Spannung UI und beim Ziehen aus der Schmelze durch eine Frequenz f2 und eino Spannung UII nahe beim Resonanzpunkt R definiert ist. Dadurch können die Blindströme in den Zuleitungen möglichst klein gehalten werden.
3 Patentansprüche 2 Figuren

Claims

Patentanstrüche 1.) Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines an seinen beiden Enden gehalterten Halbleiterkristallstabes, vorzugsweise aus Silicium, bei dem die Schmelzzone mit Hilfe einer den Stab umgebenden Induktionsheizspule erzeugt wird, wobei ein aus der Induktionsheizspule und einer parallelgeschalteten Kapazität gebildeter Heizkreis an den Ausgangslcreis eines Hochfrequenzgenerators angekoppelt ist, d a d <1 u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Hochfreauenzgenerator beim Aufheizen des noch festen Vorratssta.bteils auf der induktiven und - nach Umschalten der Regelautomatik - beim Ziehen des Stabes aus der flüssigen Schmelzzone auf der kapazitiven Arbeitsflanke der Resonanzkurve des Heizkreises arbeitet.
2.) Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Arbeitspunkt beim Aufheizen des Vorratsstabteils auf der induktiven Flanke auf dem mit zunehmender Frequenz steigenden Ast der Strom- bzw. Spannungskurve und der Arbeitspunkt beim Ziehen aus der Schmelze auf der kapazitiven Flanke auf dem fallenden Ast der Strom-bzw. Spannungskurve in die Nähe des Resonanzpunktes gelegt wird.
3.) Verfahren nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß zusätzlich zur Induktionsheizspule ein den Vorratsstabteil im Bereich der Induktionsheizspule umgebender Graphitheizring verwendet wird.