DE2414330A1

DE2414330A1 - Verfahren zum reinigen von schutzgasen beim tiegelfreien zonenschmelzen

Info

Publication number: DE2414330A1
Application number: DE2414330A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-03-25
Filing date: 1974-03-25
Publication date: 1975-10-16

Description

Verfahren zum Reinigen von Schutzgasen beim tiegelfreien Zonenschinelzen.
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen von, insbesondere aus Argon bestehenden Schutzgasen im Rezipienten beim tiegelfreien Zonenschmelzen von Haibleiterstäben, insbesondere von versetzungsfreien Silicium- Einkristallstäben.
zum Herstellen von versetzungsfreien Einkristallstäben werden die polykristallinen Siliciumstäbe, welche nach dem C-Verfahren, d.h., durch Abscheiden des Siliciums aus der Gasphase auf erhitzte Siliciumtragerkörper, gewonnen werden, einem tiegelfreien Zonenschmelzprozeß in Schutzgasatmosnhäre, welche insbesondere aus Argon oder einem anderen Edelgas besteht, unierworfen.
Bei der Herstellung sehr langer Stäbe mit relativ großen Durchmessern beobachtet man meist einen grauen Belag auf der Oberfläche des Stabes, der sich zum Stabende hin verstärkt. Dieser Belag rührt eindeutig von einer zunehmenden Verschmutzung des Schutzgases im Rezipienten während des Zonenschmelzens durch im Schutzgas vorhandene Verunreinigungen, Undichtigkeiten sowie Abdampfen von Öldämpfen von Achsen und Wellen her und beeinflußt bei der Weiterverarbeitung des Kristallmaterials dessen Qualität.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, diesen Mangel zu beseitigen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vor und/oder während des Zonenschmelzens das im Rezipienten befindliche Schutzgas mit Mitteln, die eine hohe ffiniti zu den jeweiligen, im Schutzgas befindlichen Verunreinigungen aufweisen, in Kontakt gebracht wird.
Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, daß zur Bindung vc Sauerstoff, Stickstoff und Wasserdampf im Schutzgas die Metalle Titan, Aluminium oder Magnesium, insbesondere in Streifenform z.B. als polige, verwendet werden, welche im Rezipienten angeordnet und durch Stromdurchgang zum Glühen gebracht werden. Durch die Bildung der entsprechenden Oxnre und Nitride können leicht diese Verunreinigungen entfernt werden.
Es liegt eiterhin im Rahmen der Erfindung, zur Entfernun vorhandener Kohlenwasserstoffe das Schutzgas über Filter aus gekühlter Aktivkohle und/oder über ein Molekularsieb zu leiten. Dabei muß eine gasdichte, oelfrele Pumpe verwende werden, welche in einer Zweigleitung des Rezipienten angeordnet ist. Der Gasdurchsatz wird zweckmäßigerweise auf ca. 20 1/min. eingestellt.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht z.B. aus einem Rezipienten, in dem Halteeinrichtungen für den Halbleitermaterialstab, sowie eine Heizeinrichtung zu= Erzeugen der Schmelzzone im Halbleiterstab angeordnet sind.
An dem Rezipienten ist eine Zweigleitung mit einer Pumpeinrichtung zur Erzeugung der Gasumwälzung angeschlossen. Im Rezipienten und/oder in der Zweigleitung sind Haltevorrichtungen für die aus Titan, Aluminium oder Magnesium bestehenden Metallstreifen angebracht, welche mit Stromanschlüssen versehen sind. Außerdem ist in der Zweigleitung ein Filter aus gekühlter Aktivkohle bzw. ein Molekularsieb zur Entfernung von kohlernvasserstoffhaltigen Verbindungen geschaltet.
Die Erfindung und ihre Vorteile seien anhand der in der Zeichnung befindlichen Figur 1 und 2 und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In der Figur 1 ist eine Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines Siliciumeinkristallstabes dargestellt, welche zur Entfernung von Verunreinigungen aus der aus Argon bestehenden Schutzgasatmosphäre mit einer Zweigleitung mit Pumpeinrichtung versehen ist; die Fig. 2 zeigt ein Schnittbild der in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 20 bezeichneten Reinigungsbatterie.
Mit dem Bezugszeichen 1 ist in Fig. 1 der als Zonnenschmelzkammer dienende Rezipient bezeichnet. Im Deckel und im Boden des Rezipienten 1 ist je eine Simmerringdichtung 2 und 3 vorgesehen, die eine vakuumdichte Durchführung der Antriebswellen 4 und 5 für den Siliciuitieinkristallstab 6 sicherstellen. Der Stab 6 ist in Halterungen 7 und 8 eingespannt. Die Halterungen 7 und 8 können in Richtung der Stabachse bewegt und um ihre Achse gedreht #werden. Die Schmelzzone 9 wird von einer Induktionsheizspule 10, vorzugsweise einer Ringspule mit einer Windung, erzeugt. Die Induktionsheizspule 10 kann ortsfest sein und durch eine Seitenwand des Rezipienten vakuumdicht hindurchgeführt sein. Die Halterung 11 der Induktionsheizspule 10 kann als koaxiale Halterung ausgebildet sein, die sowohl zu Zuführung des Stroms als auch des Kühlmediums, vorzugsweise Wasser, dient. An der gegenüberliegenden Seitenwand des Rezipienten 1 ist ein Schaufenster 12 angeordnet.
Das Ar¢ongas gelangt aus einem Vorratsbehälter 13 über ein Leitungssystem 14 in den Rezipienten 1. Im Beitungssystem 14 befindet sich ein Reduzierventil 15, ein Absperr- bzw. Dosie-ventil 16 sowie ein Druckmesser 17.
Durch Betätigen des Dosierventils 16 wird am Druchmesser 17 der gewünschte Druck irn Rezipienten, beisuielsweise 1.05 at, eingestellt. Danach wird die G@szufnhr abgeschaltet.
In einer Zweigleitung 18 des Rezipienten 1 erfolgt die Reinigung des Argongases im strömenden System. Zu diesem Zweck wird mittels einer gasdichten, oelfreien Pumpe 19 über eine ReiniZungsbatterie 20, welche ein Filter aus gekiihlter Aktivkohle bzw. ein Molekularsieb und geCebenenfalls auch die zum Glühen gebrachten Metallstreifen aus Titan, Aluminium oder Magnesiurn enthält, das im RLezipienten 1 befindliche Argongas in der mit den eingezeichneten Pfeilen 21 angegebenen Richtung umgewälzt. Dies geschieht zweckmäßigerweise bei einem Gasdurchsatz von# 20 l/min vor dem Zonenschmelzen und auch während des Betriebes.
Zur Bindung von Sauerstoff, Stickstoff und Wasserdarin können Metallstreifen 22 aus Titan, Aluminium oder Magnesium auch direkt im Rezipienten 1 angeordnet werden. Sie sind mit Stromanschlüssen 23 und 24 versehen und werden während der Reinigung des Argongases zum Glühen gebracht.
Diese Metallstreifen werden nach Gebrauch ausgetauscht und regeneriert.
Aus Fig. 2 ist der Aufbau der Reinigungsbatterie 20 ersichtlich. Dabei befindet sich in einem rohrförmigen Hohlkörper 30 aus Xtetall im unteren Teil eine mit Aktivkohle 31 oder Molekularsieb gefüllter Kupferblock 32, der, wie durch Pfeile 33 angedeutet, an einem Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist. ttber den Kupferblock 32 ist eine Kühlfalle für Wasserdampf geschaltet, welche aus einer mit Kühlmitteln durchflossenen Spirale 34 besteht. Im oberen Teil des Hohlkörpers 30 befinden sich Titanspiralen 35 und 36, welche mit Stromanschlüssen 37 und 38 versehen sind. Die Pfeile 39 zeigen die Richtung des Gasdurchsatzes an.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es gelungen, versetzungsfreie Silicium-Einkristallstäbe mit Durchmessern größer als 60 mm und einer Länge von 50 cm ganz ohne Belag herzustellen. Dabei wurde während der Dauer des Zonenschmelzprozesses (ca. 3 bis 4 Stunden) die Argonatmosphäre bei einem Gasdurchsatz von 20 1/min und einem Rezipientenvolumen von 200 1 ca. 20 mal umgewälzt.
2 Figuren 8 Patentansprüche

Claims

P a t e n t a n s s r ii c h e 1. Verfahren zum Reinigen von, insbesondere aus Argon bestehenden Schutzgasen im Rezj.oienten beim tiegelfreien Zonpnchmelzen von Halbleiterstäben, insbesondere von versetzungsfreien Silicium-Einkristallstäben, d a d u r c g e k en n z e i c h n e t, daß vor und/oder während des Zonenschmeslzens das im Rezipienten befindliche Schutzgas mit Mitteln, die eine hohe Affinitat zu den jeweiligen, im Schutzgas befindlichen Verunreinigungen aufweisen, in Kontakt gebracht wird.
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 zur Bindung von Sauerstoff, tickstoff und Wasserdampf im Schutzgas die Metalle Titan, Aluminium oder Magnesium, insbesondere in Streifenform, verwendet werden, welche im Rezipienten angeordnet und durch Stromdurchgang zum Glühen gebracht werden.
3. 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 zur Entfernung von Kohlenwasserstoffe das Schutzgas über Filter aus geküi'#lter Aktivkohle geleitet wird.
4. 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 das Schutzgas über ein Molekularsieb geleitet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß eine gasdichte, oelfreie Pumpe verwendet wird, welche in einer Zweigleitung des Rezipienten angeordnet ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Gasdurchsatz auf ca.

20 l/min. eingestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, d a d u r c h g e. -k e n n z e i c h n e t, daß der Reinigungsprozeß während des Zonenschmelzens ständig läuft.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 7, bestehend aus einem Rezipienten, in den Halteeinrichtungen für den Halbleitermaterialstab, sovie eine Heizeinrichtung zur. Erzeugen der Schmelzzone im Halb#eiterstab angeordnet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c n e t, daß an dem Rezipienten eine Zweigleitung mit einer Pumpeinrichtung zur Erzeugung der Gasumwälzung angeschlosset ist, daß im Rezipienten und/oder in der Zweigleitung Haltevorrichtungen für die aus Titan, Aluminium oder tfiagnesium bestehenden Metallstreifen angebracht sind, welche mit Stranschlüssen versehen sind, und daß in die Zweigleitung ein Filter aus gekühlter Aktivkohle bzw. ein Molekularsieb geschaltet ist.