DE1519897B2

DE1519897B2 - Verfahren und Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes

Info

Publication number: DE1519897B2
Application number: DE1519897A
Authority: DE
Inventors: Ludwig 8520 Erlangen Sporrer; Carl-Heinz Dipl.-Chem.Dr. 4785 Belecke-Moehne Vogel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-08-06
Filing date: 1966-08-06
Publication date: 1974-07-18
Also published as: US3561931A; DE1519897A1; DE1519897C3; GB1164940A

Description

Das Hauptpatent 1 218 404 betrifft ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines lotrecht an seinen Enden gehalterten kristallinen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes, dessen Halterungen, von denen mindestens eine um ihre lotrechte Achse in Drehung versetzt wird, relativ zueinander und zu einer den Stab ringförmig umgebenden Heizeinrichtung in Richtung der Stabachse mit derart aufeinander abgestimmten Geschwindigkeiten bewegt werden, daß die Dicke des aus der Schmelze wieder erstarrenden Stabteiles über die lichte Weite der Heizeinrichtung hinaus vergrößert wird, wobei ferner die Halterung des wieder erstarrenden Stabteiles relativ zur Heizeinrichtung seitlich veschoben wird. Hierbei sind zu Beginn des Verfahrens die beiden Halterungen des Stabes in der gleichen lotrechten Achse angeordnet. Anschließend wird die Halterung des wieder erstarrenden Stabteiles relativ zur Halterung des zu schmelzenden Stabteiles und zur Heizeinrichtung fortlaufend seitlich und in der Höhe verschoben. Dadurch wird der Querschnitt des aus der Schmelze erstarrenden Stabteiles ständig vergrößert. Sobald der Sollquerschnitt des wieder erstarrenden Stabteiles srreicht ist, wird dessen Halterung in der exzentrischen Lage festgehalten und nur noch in der Höhe verstellt. Mit diesem Verfahren lassen sich Halbleiterstäbe, vorzugsweise Siliciumstäbe, mit größerem Querschnitt als nach dem bekannten koaxialen Zonenschmelzverfahren bei verbesserter Kristallqualität und einer vergleichsweise gleichmäßigen radialen Widerstandsverteilung über den Stabquerschnitt herstellen.

In Weiterbildung dieses Verfahrens wurde bereits vorgeschlagen, den wieder erstarrenden Stabteil in umgekehrter Richtung seitlich zu verschieben und die seitliche Verschiebung während des Zonen-Schmelzvorganges in beiden Richtungen mehrfach zu wiederholen (vgl. deutsche Auslegeschrift 1 275 032). Mit diesem zusätzlichen Verfahrensschritt konnte der spezifische Widerstandsverlauf über den Stabquerschnitt noch weiter vergleich-

xo mäßigt werden.

Nach einem anderen älteren Vorschlag wird der Halbleiterstab in zwei seitlich gegeneinander achsparallel verschiebbaren Halterungen eingespannt, von denen eine an einer lotrechten Welle befestigt ist. Die Welle ist exzentrisch in einem um eine lotrechte Achse in einem Lagerblock drehbaren Zylinder gelagert. Durch einen Schneckenantrieb wird der Zylinder in Drehung versetzt. Dadurch wird die untere Stabhalterung exzentrisch verschoben. Durch

ao einen Reversiermotor kann eine fortlaufende seitliche Hin- und Herbewegung der unteren Stabhalterung erzeugt werden (vgl. deutsche Auslegeschrift 1 265 708).
Schließlich wurde bereits vorgeschlagen, die vor-

a5 stehend beschriebene Vorrichtung noch dadurch zu verbessern, daß der drehbare Zylinder seinerseits in einem in dem Lagerblock drehbaren Exzenter gelagert ist. Damit erhält man eine größere Freiheit in der Wahl der Amplitude der Hin- und Herbewegung der unteren Stabhalterung (vgl. deutsche Patentanmeldung S 104 126IV c/12 c).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehend beschriebenen exzentrischen Zonenschmelzverfahren bzw. die zur Durchführung dieser Verfahren benötigte Vorrichtung zu vereinfachen und zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines lotrecht an seinen Enden gehalterten kristallinen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes, dessen Halterungen, von denen mindestens eine um ihre lotrechte Achse in Drehung versetzt wird, relativ zueinander und zu einer den Stab ringförmig umgebenden Heizeinrichtung in Richtung der Stabachse mit derart aufeinander abgestimmten Geschwindigkeiten bewegt werden, daß die Dicke des aus der Schmelze wieder erstarrenden Stabteiles über die lichte Weite der Heizeinrichtung hinaus vergrößert wird, wobei ferner die Halterung des wieder erstarrenden Stabteiles relativ zur Heizeinrichtung seitlich verschoben wird, der aufzuschmelzende Stabteil um eine zu seiner Mittelachse parallel exzentrische Achse in Drehung versetzt wird. Durch die Verlagerung der exzentrischen Bewegung von dem wieder erstarrenden Stabteil auf den zu schmelzenden Stabteil wird die zur Erzeugung der exzentrischen Bewegung dienende Vorrichtung wesentlich vereinfacht. Diese Maßnahme bringt den weiteren Vorteil mit sich, daß die für das exzentrische Zonenschmelzen gemäß den beiden erstgenannten Verfahren geeigneten Zonenschmelzanlagen auch für das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbar sind. Von besonderer Bedeutung für das erfindungsgemäße Verfahren ist, daß durch die Rührbewegung des exzentrisch geführten zu schmelzenden Stabteiles die Schmelzzone gut durchmischt wird, was eine weitgehend gleichmäßige radiale Widerstandsverteilung über den Stabquerschnitt ergibt. Mit besonderem

3 4

Vorteil werden die beiden Halterungen in entgegen- so groß sein, daß aus der Schmelzzone 4 kein flüssi-

gesetztem Sinne in Drehung versetzt. Dadurch er- ges Material abtropft. Beispielsweise kann sie bei

hält man eine besonders gute Durchwirbelung und einem Durchmesser des auskristallisierenden Stab-

Durchmischung der Schmelzzone, was hinsichtlich teiles 3 von 35 mm etwa bis zu 10 mm betragen. Die

der Kristallqualität und der radialen Widerstands- 5 Exzentrizität e., des schmelzenden Stabteiles ist gün-

verteilung sehr günstig ist. stigerweise durch die noch näher zu beschreibende

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung Halterung 7 verschieden einstellbar. Durch Verände-

werden an einem Ausführungsbeispiel an Hand der rung der Exzentrizität e₂ kann der »Rühreffekt« des

Zeichnung näher erläutert. zu schmelzenden Stabteiles 2 weitgehend verändert

In F i g. 1 sind zwei verschiedene Phasen des erfin- io werden. Die von dem zu schmelzenden Stabteil 2

dungsgemäßen Verfahrens dargestellt. überstrichene Fläche ist in F i g. 2 durch Schraffie-

In F i g. 2 ist in schematischer Darstellung der Be- rung gekennzeichnet.

wegungsablauf des zu schmelzenden Stabteiles dar- Dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel

gestellt. der Erfindung sind folgende Daten zugrunde gelegt:

Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht, teilweise im 15 Die Drehgeschwindigkeit des wieder erstarrenden

Schnitt, einer Stabhalterung zur Durchführung des Stabteiles 3 beträgt bei einem Stabdurchmesser von

erfindungsgemäßen Verfahrens. 33 mm 8 bis 70 U/min, vorzugsweise 25 U/min.

F i g. 4 zeigt eine Draufsicht auf die Halterung Die Drehgeschwindigkeit des der Schmelze zugeführ-

nach F i g. 3. ten Stabteiles 2 beträgt bei einem Stabdurchmesser

Nach F i g. 1 wird in einem Halbleiterstab 1, der so von 27 mm 8 bis 80 U/min, vorzugsweise 25 U/min, sich aus dem zu schmelzenden Stabteil 2 und dem aus Dabei wird der Stabteil 2 günstigerweise mit etwa der Schmelze wieder erstarrenden Stabteil 3 zusam- 1,5 mm/min in Richtung auf den Stabteil 3 bewegt, mensetzt, und an dessen unterem Ende ein zeichne- Die Heizeinrichtung 4 wird in der entgegengesetzten risch nicht dargestellter Keimkristall angeschmolzen Richtung mit 1 bis 2 mm/min, vorzugsweise 1,8 mm/ ist, mit Hilfe einer mit Hochfrequenzstrom gespeisten as min, nach oben bewegt. Die Exzentrizität e₂ des Induktionsspule 4 eine Schmelzzone 5 erzeugt, die Stabteiles 2 beträgt etwa 2 mm, während die Exzentridurch Auf- oder Abwärtsbewegen der Induktions- zitäte₃ des Stabteiles 3 auf etwa 8 mm festgesetzt wird, spule 4 oder bei ruhender Induktionsspule durch Ab- In den F i g. 3 und 4 ist eine besonders einfache oder Aufwärtsbewegen der Halterungen des Halb- Halterung des Stabteiles 2 zur Durchführung des erleiterstabes 1 durch diese der Länge nach hindurch- 30 findungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Haltegezogen werfen kann. Die Mittelachse der als rung 7 setzt sich aus zwei Rohrstücken 8 und 9 zu-Heizeinrichtung dienenden Induktionsspule 4 ist mit sammen, die durch einen Boden 10 getrennt sein M bezeichnet. Die Antriebswelle für den wieder können. In das eine Rohrstück 8 ist der Stabteil 2 erstarrenden Stabteil sitzt zentrisch in dessen Halte- eingebracht, vorzugsweise eingeklemmt. Am Rohrrung. Die Antriebswelle 6 für den zu schmelzenden 35 stück 9 sind in zwei verschiedenen Ebenen 11 und 12 Stabteil 2 ist in dessen Halterung 7 exzentrisch ein- Stellschrauben 13 angebracht, die zur exzentrischen geführt und in der exzentrischen lotrechten Lage Halterung der Antriebswelle 6 bzw. zur Sicherung gesichert. Die Längsachse der Antriebswelle 6 ist mit der lotrechten Lage des Stabteiles 2 dienen. Im Aus- E bezeichnet. Die beiden Stabteile 2, 3 werden durch führungsbeispiel dienen die in der Ebene 11 angean sich bekannte Antriebsvorrichtungen in Drehung 4° brachten Stellschrauben 13 zur Festlegung der Exversetzt. Gleichzeitig wird der wieder erstarrende zentrizität e., der Antriebswelle 6, während die in der Stabteil 3 relativ zum Stabteil 2 und zur Heizeinrich- Ebene 12 angebrachten Stellschrauben 13 zur Sichetung 4 seitlich verschoben. Sobald der Sollquerschnitt rung der lotrechten Lage des Stabteiles 2 vorgesehen des wieder erstarrenden Stabteiles 3 erreicht ist, wird sind. Vorzugsweise sind in jeder Ebene 11, 12 drei die seitliche Verschiebung eingestellt und der Stab- 50 um 120° versetzte Stellschrauben 13 vorgesehen,
teil 3 dreht sich nur mehr um seine lotrechte Beispielsweise können die beiden Stabteile 2, 3 in Achse A. Der zu schmelzende Stabteil 2 wird ent- gleicher Richtung mit entsprechend den gewünschten gegen der Bewegungsrichtung der Heizeinrichtung 4 Stababmessungen aufeinander abgestimmten Geaxial verschoben, während der Stabteil 3 keine axiale schwindigkeiten axial bewegt werden. Es kann auch Bewegung ausführt. Mit besonderem Vorteil werden 45 eine gleichsinnige Drehrichtung der beiden Stabhaltedie Stabteile 2, 3 gegensinnig um die lotrechten Ach- rungen vorgesehen sein.

sen A, E gedreht. Dadurch wird die Schmelzzone 4 Außerdem kann der wieder erstarrende Stabteil gut durchmischt, was eine äußerst gleichmäßige koaxial zur Mittelachse der Heizeinrichtung angeradiale Widerstandsverteilung über den Stabquer- ordnet sein. Desgleichen kann der Durchmesser schnitt ergibt {Aq «= 5 — 7 ⁰Io). Die Exzentrizität e_% 55 beider Stabteile größer als die lichte Weite der Heizdes wieder erstarrenden Stabteiles 3 darf höchstens einrichtung sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines lotrecht an seinen Enden gehalterten kristallinen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes, dessen Halterungen, von denen mindestens eine um ihre lotrechte Achse in Drehung versetzt wird, relativ zueinander und zu einer den Stab ringförmig umgebenden Heizeinrichtung in Richtung der Stabachse mit derart aufeinander abgestimmten Geschwindigkeiten bewegt werden, daß die Dicke des aus der Schmelze wieder erstarrenden Stabteiles über die lichte Weite der Heizeinrichtung hinaus vergrößert wird, wobei ferner die Halterung des wieder erstarrenden Stabteiles relativ zur Heizeinrichtung seitlich verschoben wird, nach Patent 1 218 404, dadurch gekennzeichnet, daß der aufzuschmelzende Stabteil um eine zu seiner Mittelachse parallele exzentrische Achse in Drehung versetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halterungen in entgegengesetztem Sinne in Drehung versetzt werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzentrizität des zu schmelzenden Stabteiles verschieden einstellbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle des zu schmelzenden Stabteiles durch an der Halterung angebrachte Verstellelemente exzentrisch befestigt ist.