DE2628048A1

DE2628048A1 - Crucibleless crystal zone melting - operating on inductive branch of resonance curve for heating and on capacitive branch for pulling

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

Abstract

In a crucible-less zone melting process for single crystals of a semiconductor such as Si the heating power is supplied by the heating circuit, coupled to a h.g. generator, and consisting of an induction coil and a capacitor in parallel to it. During the heating period of the solid stock, the high-frequency generator operates on the rising inductive branch of the heating circuit resonance curve and during the pulling period from a liquid molten zone on the drooping capacitive branch. Process prevents cracks in the stock during the heating up period and safeguards during pulling against vibrations of the growing single crystal rod. The wattles current is minimised.

Description

Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines Halbleiter-Method for crucible-free zone melting of a semiconductor

kristallstabca.crystal rod approx.

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.The present patent application relates to a method for crucible-free Zone melting of a semiconductor crystal rod held at both ends, preferably made of silicon, in which the melting zone with the aid of a surrounding the rod Induction heating coil is generated, one from the induction heating coil and one Heating circuit connected in parallel to the output circuit of a high-frequency generator is coupled.

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.Such a method can be found in US Pat. No. 3,271,551 (= VPA 63/1582) remove. In order to avoid control errors with larger rod diameters the frequency of the high-frequency generator in the case of a liquid melt zone is set in such a way that that the high-frequency generator is always on the capacitive edge of the resonance curve of the heating circuit is working. This gives a mechanical self-stabilization, i.e. damping of mechanical vibrations of the crystal rod and melting zone by the electrodynamic forces of the melting coil. When preheating the snapping reel on the other hand, the supply rod part supplied on the capacitive flank occurs thermally unstable, self-rocking system. This takes place Heat transfer so quickly that the supply rod part forms cracks and even shatters can.

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.The object on which the present invention is based exists now to adjust the frequency control so that on the one hand no vibrations of the growing, dislocation-free, thick single crystal rod electrodynamic build-up occurs and, on the other hand, it is also guaranteed, that the supply rod part to avoid cracks and cracks in appropriately dosed travel the heat energy required for melting is supplied.

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.This object is achieved by the method according to the invention in that that the high-frequency generator when the still solid supply rod part is heated the inductive and - after switching over the automatic control - when pulling the stick from the liquid melting zone on the capacitive working edge of the resonance curve of the heating circuit is working. Depending on the setting of the generator frequency, the High-frequency power on the inductive or on the capacitive edge of the The resonance curve of the heating circuit can be regulated over a wide range. The sense of the rule turns however, when transitioning to the other flank. By the measure that When the supply rod part is heated, the operating point is on the inductive flank, a gentle yet rapid heating is achieved. Correspondingly, when pulling of the rod from the melting zone in that the working point is on the capacitive Flank, a mechanical self-stabilization of the melting zone and rod is achieved, which leads to the damping of the mechanical vibrations and when recrystallized Rod part enables dislocation-free crystal growth.

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.In order to keep the reactive currents in the supply lines as small as possible, is in a further development of the inventive concept that the operating point during heating of the supply rod part on the inductive flank on the with increasing frequency increasing branch of the current or voltage curve and the operating point when pulling out the melt on the capacitive edge on the falling branch of the current or voltage curve is placed near the resonance point.

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.According to an embodiment according to the teaching of the invention, it is necessary for improvement in the case of high-resistance semiconductor material the Heating effect in addition to the induction heating coil, the supply rod part in the Use the graphite heating ring surrounding the induction heating coil.

Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf das Schaltbild nach Fig. 1 und das Diagramm nach Fig. 2 Bezug genommen.To explain the method according to the invention, reference is made to the circuit diagram 1 and the diagram of FIG. 2 is referred to.

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.Fig. 1 shows schematically a silicon crystal rod 2, which is from a Induction heating coil 3 is enclosed in the form of a flat coil and is known per se Way is subjected to a zone melting process. By inductive heating A melting zone 4 is generated in the rod 2. The induction heating coil 3 is a capacitance 5 connected in parallel, which forms a heating circuit with the coil. To measure the A voltmeter 6 (Us) is connected to the HF voltage on the heating circuit. The heating circuit is coupled to the high-frequency generator 7, whose frequency-determining parallel resonance circuit is formed by a variable capacitance 8 and an inductance 9. The changeable one Capacitance 8 and coil 3 are grounded (10, ii). The high frequency generator 7 is connected to the anode DC voltage via an I) rossel coil 12. The generator supplies, for example, an HF power of max. 20 kW and is in a frequency range adjustable from 2.2 to 3.5 MHz by regulating the capacity 8.

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.The method according to the invention is graphically somewhat simplified in FIG Shape shown. In this diagram, the frequency f is on the abscissa and on The voltage Us (= U1 or Uc) on the heating resonance circuit is plotted on the ordinate. The curve shown is the resonance curve of the heating resonance circuit shown in FIG. According to the invention, the automatic control is designed so that a control both on the inductive (I) as well as after reversing the polarity of the automatic control on the capacitive (II) edge is possible. The passage of the melting zone through the silicon rod is carried out from bottom to top, working on the capacitive edge is, while preheating the supply rod part on the inductive Edge is worked. According to a particularly favorable embodiment according to the teaching of the invention both when heating the supply rod part as well when pulling the recrystallized rod part from the melt on a point of Resonance curve worked when heated by a frequency f1 and a voltage UI and when drawing from the melt by a frequency f2 and a voltage UII is defined close to the resonance point R. This can reduce the reactive currents in the supply lines be kept as small as possible.

3 Patentansprüche 2 Figuren3 claims 2 figures

Claims

Patent claims 1.) Method for crucible-free zone melting of a semiconductor crystal rod held at both ends, preferably made of silicon, in which the melting zone with the help of an induction heating coil surrounding the rod is generated, one of the induction heating coil and one connected in parallel Capacity formed heating circuit to the output circuit of a high frequency generator is coupled, d a d <1 u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that the high frequency generator when heating up the still fixed storage part on the inductive and - after switching the automatic control - when pulling the rod out of the liquid melting zone on the capacitive working edge of the resonance curve of the heating circuit is working.

2.) The method according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the working point when heating the supply rod part on the inductive Edge on the branch of the current or voltage curve that increases with increasing frequency and the operating point when drawing from the melt on the capacitive edge the falling branch of the current or. Voltage curve near the resonance point is placed.

3.) The method according to claim 1 and 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that in addition to the induction heating coil a stock rod part in the Area of the induction heating coil surrounding graphite heating ring is used.