DE2143394A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzielung eines gleichmaessigen radialen widerstandsverlaufs beim herstellen eines halbleiterkristallstabes durch tiegelfreies zonenschmelzen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur erzielung eines gleichmaessigen radialen widerstandsverlaufs beim herstellen eines halbleiterkristallstabes durch tiegelfreies zonenschmelzenInfo
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- DE2143394A1 DE2143394A1 DE19712143394 DE2143394A DE2143394A1 DE 2143394 A1 DE2143394 A1 DE 2143394A1 DE 19712143394 DE19712143394 DE 19712143394 DE 2143394 A DE2143394 A DE 2143394A DE 2143394 A1 DE2143394 A1 DE 2143394A1
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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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.
9/110/I013 Edt/Au 309810/0911 _ 2_
BAD ORIGINAL
%*~~· ": v 2U3394
i
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.
VPA 9/110/I013 309810/0911 _ 3 .
BAD ORIGINAL
2U3394
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
VPA 9/iio/ioi3 * _ 309810/0911
2U3394
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
VPA 9/110/I013 3Q98 IQ/0911 ■- 5 -
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
2 Figuren
309 8 10/0911
VPA 9/i1o/it.r5 -. 6 -
Claims (3)
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 -
309810/0911 0R|Q|NAL
. 2U3394
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?.
3 0.9810/0911
Le e rs e
«te
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