DE2143394A1

DE2143394A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzielung eines gleichmaessigen radialen widerstandsverlaufs beim herstellen eines halbleiterkristallstabes durch tiegelfreies zonenschmelzen

Info

Publication number: DE2143394A1
Application number: DE19712143394
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-08-30
Filing date: 1971-08-30
Publication date: 1973-03-08
Also published as: FR2150935A1; BE788181A; IT964216B; FR2150935B1; JPS4857576A; NL7208665A; GB1350166A

Description

2U3394

SIEMENS AKTTENGESELLSCIWPT München 2,

Berlin und München Witteisbacherplatz 2

71/1147"

Verfahren und Vorrichtung zur Erzielung eines gleichmäßigen radialen 7/iderstandsverlaufs beim Herstellen eines Halbleiterkristallstabes durch tiegelfrei es Zonenschmelzen

Die vorliegende Erfindung betrifft, ein Verfahren zur Erzielung eines gleichmäß'iren radialen \7iderstandsverlaufs in einem HaIbleitereinkristallstab beim tiegelfreien Zonenschmelzen ejnes senkrecht an seinen Enden irehal terten Halbleiterstabes mi h einer den Stab ringförmig umschließenden, die Schmelzzone erzeugenden induktiven Heizeinrichtung, bei dem von einem Keimkristall ausgehend die Schmelze in Richtung der Stabachse eines Vorratsstabes durch den Halbleiterstab bewegt wird.

Es ist bekannt, Einkristallstäbe durch tiegelfreies Zonenschmelzen herziKsteilen, jndem mit Hilfe von Keimkristallen polykristalline Halbleiterstäbe, insbesondere Siliciumstäbe, dadurch in Einkristalle übergeführt werden, daß man eine Schmelzzone von dem Ende, an dem der Keimkristall angesetzt ist, zu dem anderen Ende des Falbleiterstabes (Vorratsstab) wandern läßt. Der Halbleiterstab wird hierbei meist senkrecht stehend in zwei Halterungen ein.^e scannt, wobei die eine Halterung während des Zonenschmelzens in Rotation um die Stabachse versetzt wird, so daß ein symmetrisches Aufwachsen des erstarrenden Materials gewährleistet ist.

Einkristallstäbe, die in dieser Weise durch das tiepelfreie Zonenschnelzen hergestellt worden sind, zeigen infolge einer mangelnden Durchmisohung der Schmelze meist keinen gleichmäßigen radialen V7iderstand"verlauf, wie er für die Herstellung von Halbleiterbauelementen wünschenswert wäre.

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Eine gewisse Verbesserung in der Durchmischung der Schmelze und damit des radialen Widerstandsverlaufs des wiedereratarrenden Stabteils bringt das in der deutschen Patentschrift 1 218 4o4 beschriebene exzentrische tiegelfreie Zonenschmelzen, bei dem die sich drehende Halterung des wiedererstarrenden Stabteils relativ zur Heizeinrichtung, also zur Induktionsheizspule, seitlich verschoben wird.

Weiterhin ist aus der deutschen Patentschrift 1 265 7o8 eine Vorrichtung zum tiegel freien Zonenschmelzen zu entnehmen, bei welcher die eine Halterune? eines in einem Rezipienten befindlichen, senkrecht in Halterungen eingespannten Halbleiterstabes an einer lotrechten Welle befestigt ist, wobei die Vfelle exzentrisch in einem um eine lotrechte Achse ■»'η einem Lasrerblock drehbaren Zylinder gelagert ist. Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, die untere oder obere Stabhaiterung des Falbleiterstabes mehrmals während des Zonenschmelzens seitlich hin- und herzubewegen, wodurch die Schwankungen des spezifischen Widerstandes über den Querschnitt des Halbleiterstäbes auf einen Wert von kleiner als 1o^ gesenkt werden können.

Die vorliegende Patentanmeldung stellt eine Verbesserung des Verfahrens der eben beschriebenen Vorrichtung in bezug auf den radialen Widerstandsverlauf des hergestellten Halbleiterkristallstabes dar und ist durch ein Verfahren zum tiegel-. freien Zonenschmelzen gekennzeichnet, bei dem mindestens eine O.er beiden, die Schmelze tragenden Stabhaiterungen während des Zonenschmelzens mit einer ungleichförmigen, nichtkreisförmigen, horizontalen, periodischen Bewegung beaufschlagt wird.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß diese Bewegung mittels einer Exzentervorrichtung über eine Pleuelstange erfolgt.

Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, eine Exzentrizität von 2 - Io mm in bezus auf die ruhend angenommene Stabachse einzustellen und den Exzenter mit einer Drehgeschwindigkeit von 5 - 1oo TJpM. zu beaufschlagen.

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Es liegt auch im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung, daß der Exzenter mit einer ungleichförmigen Drehbewegung beaufschlagt wird» Des weiteren kann auch zur besseren Durchmischung der Schmelze die mit der periodischen horizontalen Bewegung beaufschlagte Stabhalterung zusätzlich noch in Umdrehungen um ihre* eigene Achse versetzt werden. Die beiden Stabhalterungen können auch ,iede für sich in Drehung versetzt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung wird dabei für die sich drehende Stabhalterung eine Rotationsgeschwindigkeit von Io - 1oo UpM. eingestellt.

Mit großem Vorteil kann das Verfahren nach der Lehre der Erfindung für das tiegelfreie Zonenschmelzen auch mit den in den deutschen Patentschriften 1 218 AoA und 1 263 698 beschriebenen Verfahren gekoppelt werden, bei denen die sich drehende, den Keimkristall oder den Vorratsstab tragende Halterung relativ zur Induktionsheizspule (Heizeinrichtung) seitlich verschoben wird. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß noch ein zusätzlicher Durchmischungseffekt der Schmelze neben einer Verbesserung der Kristallqualität an den so gefertigten Halbleiterstäben auftritt.

Eine weitere Verbesserung in bezug auf Durchmischung der Schmelze tritt auch noch ein, wenn die Drehung mindestens einer der beiden Stabhalterungen mit einer ungleichförmigen Änderung beaufschlagt wird.

Das Verfahren firemäß der Lehre der Erfindung läßt sich auf vorteilhafte V/eise durchführen mittels einer Vorrichtung, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Stabhalterung einer Einrichtung zum tie&elfreien Zonenschmelzen eines senkrecht in einem Rezipienten angeordneten Halbleiterstabes mit der Pleuelstange einer Exzentervorrichtung, welche außerhalb des Rezipienten angeordnet ist, derart mechanisch verbunden ist, daß die Stabhalterung der Bewegung eines Punktes auf

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der Pleuelstange folgt, wobei der maximale Durchmesser der umschriebenen Bahn von der Exzentrizität des Exzenters^der Lage dee Punktes auf der Pleuelstange und dem Abstand des Drehgelenks der Pleuelstange von der Exzenterachse abhänrt.

Des weiteren ist diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Mittel vorgesehen sind, durch welche die Stabhalterung um ihre Achse drehbar ist.

Weitere Einzelheiten sind aus den anhand der Zeichnungen erklärten Figuren 1 und 2 zu entnehmen. Dabei stellt Fig. im Schnittbild die für die Erfindung- wesentlichen Teile einer Zonenziehanlage, also die obere Stabhalterung dar, welche erfindungssemäß mit einer Exzenterwelle über eine Pleuelstange verbunden ist. Die übrigen Teile der Zonenziehanlage, z. B. eine Heizeinrichtung, mit der über eine begrenzte Länge des Stabes eine Schmelzzone erzeugt wird, oder die untere Stabhalterung, in welcher beispielsweise der Keimkristall eingespannt ist, sind als bekannt angenommen und daher weder dargestellt, noch beschrieben. Fig. 2 zeigt die Abbildung von Fig. 1 in Untersicht.

Im folgenden sei die Wirkungsweise der Vorrichtung beim tiegelfreien Zonenschmelzen beschrieben. Zu Beginn des Verfahrens - etwa beim Anschmelzen eines dünnen stabförmigen Keimkristalls an einem dickeren Vorratsstab, welcher beispielsweise durch Abscheiden von Silicium aus der Gasphase auf einem Trägerkcrper aus Silicium hergestellt sei sind die obere und die untere Stabhalterung in derselben lotrechten Achse angeordnet. Durch Bewegen der Stabhalterungen und/oder der Heizeinrichtung in axialer Richtung und durch Einstellen ihrer Geschwindigkeiten wird die Schmelzzone über den Stab geführt und der Querschnitt des wieder auskristallisierenden Stabteils auf den gewünschten Durchmesser gebracht. Gleichzeitig wird die obere Stabhalterung

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mit dem eingespannten Siliciumatab 2 dadurch in eine horizontale, nichtkreinförmige periodische Bewegung (angedeutet durch den Drehpfeil 3) gebracht, daß die obere Stabhaiterung 1 mit dem Zapfen 1? über eine Pleuelstange 4, welche mittels eines Drehgelenks 5 über einen Haltewinkel 6 für das "Drehgelenk mit einer Exzenterwelle verbunden ist und einer horizontalen. Kreisbewegung der Exzenterwelle folgt (angedeutet durch den "Drehofen 8). Die Exzenterwelle selbst ir;t mittels Lager 9 in einer axial verschiebbaren Achse 1o (s. Doppelpfeil 11) befestigt, welche an einer in dor Fifrur nicht dargestellten Haltevorrichtung angebracht ist. Die Exzentrizität i3t Am Beispiel auf ungefähr 5 mm eingestellt. Der Exzenter wird mit ca. 2o UpM. beaufschlagt, die Drehung kann aber auch diskontinuierlich, ungleichförmig erfolgen.

Durch die vom Exzenter 7 über die Pleuelstange 4 auf die Stabhalterung 1 übertragene Bewegung (angedeutet .durch den ' Pfeil 12) wird eine laufende Durchmischung der Schmelze beim tiegelfreien Zonenschmelzen erzielt, woraus eine gleichmäßige Verteilung des Widerstandsverlaufs ( P-Gradient) innerhalb des Stabquerschnitts resultiert.

Die Durchmischung der Schmelze wird noch weiter erhöht, wenn die Rtabhalterung mit einer zusätzlichen Drehbewegung von beispielsweise 2o UpM. um ihre eigene Achse beaufschlagt wird.

In Tie. 2, welche die Vorrichtung gemäß der Erfindung in Untersicht darstellt, sind lie gleichen Bezugs zeichen verwendet wie in Fig. 1.

9 Patentansprüche
2 Figuren

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VPA 9/i1o/it.r5 -. 6 -

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Claims

Pate η tan 3 ρ r ü c h e

1. Verfahren zur Erzielung eines gleichmäßigen radialen Widerstand βVerlaufs in einem Halbleitereinkristallstab beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines senkrecht an seinen' Enden gehalterten Halbleiterstabes mit einer den Stab ringförmig umschließenden, die Schmelzsone erzeugenden induktiven Heizeinrichtung, bei dem von einem Keimkristall ausgehend die Schmelze in Richtung der Stabachse eines Vorratsstabheils durch dun Halbleiterstab beweg;t wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden, die Schmelze tragenden Stabhai terunden während des Zonenschmelzens' mit einer ungleichförmigen, nichtkreisförmigen, horizontalen, periodischen Bewegung beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese-Bewegung mittels einer Exzentervorrichtung über eine Pleuelstange erfolgt.

3. Verfahren nach Ansnruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Exzentrizität von 2 - 1o mm in bezug auf die ruhende angenommene Stabachse eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch l bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Exzenter mit einer Drehgeschwindigkeit von 5 - loo IJpM.

beaufscnlagt wird.

5. Verfahr?η nach Ansr-ruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Exzenter mit einer ungleichförmigen Drehbewegung beaufschlagt wird.

6» Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der periodischen horizontalen Bewegung beaufschlagte Stabhalterung zusätzlich noch in Umdrehungen um ihre eigene Achse versetzt wird.

VPA 9/1I0/I0I3 ~ 7 -

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7» Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rotationsgesehwindigkeit von 1o - 1oo UpM. eingestellt wird.

Θ. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stabhalterung einer Einrichtung zum "tiegelfreien Zonenschmelzen eines senkrecht in einem Rezipienten angeordneten Halbleiterstabes mit der Pleuelstange einer·Exzentervorrichtung, welche außerhalb des Rezipienten angeordnet ist, mechanisch derart verbunden ist, daß die Stabhalterung der Bewegung eines Punktes auf der Pleuelstange folgt, wobei der maximale Durchmesser der umschriebenen Bahn von der Exzentrizität des Exzenters, der Lage des Punktes auf der Pleuelstange und dem Abstand des Drehgelenks der Pleuelstange von der Exzentsrachse abhängt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Mittel vorgesehen sind, durch welche die Stabhalterung um ihre Achse drehbar ist.

VPA 9/1 Ιο/Ιοί?.

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