DE3873171T2

DE3873171T2 - Vorrichtung zum zonenschmelzen eines halbleiterstabes.

Info

Publication number: DE3873171T2
Application number: DE8888108273T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Ikeda
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1987-05-25
Filing date: 1988-05-24
Publication date: 1993-03-04
Anticipated expiration: 2008-05-25
Also published as: JPS63291888A; JPH0565476B1; EP0292919A1; DE3873171D1; EP0292919B1; US5009860A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG:

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterstab-Zonenschmelzvorrichtung zum Herstellen von Einkristall-Halbleitern, wie etwa Silicium, Germanium und dergleichen, und Verbindungshalbleitern, wie etwa Galliumphosphat und dergleichen, durch einen Fließzonen-Schmelzprozeß (nachfolgend als FZ-Prozeß bezeichnet), und, im näheren, eine Halbleiterstab-Zonenschmelzvorrichtung, in welcher ein Metallstück nahe oder an mindestens einer der oberen und unteren Umfangsfläche einer Induktionsheizspule angeordnet ist, die eine Fließzone eines zu schmelzenden Halbleiterstabes umgibt, und der Raum, der die Fließzone umgibt, durch Einstellen der Relativlage von Spule und Metallstück verändert werden kann.

Beschreibung des Standes der Technik

Eine herkömmliche Vorrichtung zum Herstellen eines Halbleiter-Einkristalls ist bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird ein polykristalliner Halbleiterstab als Ausgangsmaterial an der Unterseite der oberen Achse gehalten, und ein Einkristallkeim mit einem kleinen Durchmesser wird an der oberen Seite der unteren Achse gehalten. Ein Ende des Halbleiterstabes wird durch eine Hochfrequenz-Induktionsheizspule geschmolzen, die den Halbleiterstab umgibt, und wird auf dem Keimkristall zum Keimen gebracht. Nachfolgend wird ein Einkristallabschnitt mit einem kleineren Durchmesser als jener des Keimkristalls mit hoher Geschwindigkeit zum Wachsen gebracht, um einen versetzungsfreien Kristall epitaxial gegenüber dem Keim zu halten, und gleichzeitig wird eine Zonenschmelzung des Halbleiterstabes begonnen, während er eine Relativdrehung durchführt und sich in axialer Richtung nach unten bewegt. Bei einer Vorrichtung dieser Art ist es bevorzugt, daß die Heizspule enger an einer Schmelzzone mit einem hinlänglich kleinen Spalt angeordnet ist, so daß die elektromagnetische Energie konzentrisch von der Spule der Schmelzzone zugeführt wird. Deshalb wird, wie in einem Einkristall-Keimungsprozeß und einem nachfolgenden Prozeß zum hochschnellen Wachstum eines Einkristalls mit kleinem Durchmesser, der wirksame Innendurchmesser der Heizspule bevorzugt mit abnehmendem Durchmesser des Einkristalls verringert. Zusätzlich wird, wenn der Durchmesser des Einkristalls vergrößert wird, wenn die Schmelzzone bewegt wird, der Innendurchmesser der Heizspule bevorzugt entsprechend erhöht. Eine solche Einrichtung ist ferner kritisch für die Herstellung eines Einkristalls mit großem Durchmesser.
Zu diesem Zweck wurde eine Technik (japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 48-8801) vorgeschlagen. Bei dieser Technik sind eine Hauptinduktionsheizspule mit vielen Windungen und eine ringförmige, bewegliche Hilfs- Induktionsheizspule vertikal mit einem geringen Abstand getrennt kombiniert und beide werden unabhängig mit Leistung beaufschlagt. Die Hilfsspule wird allmählich während des Betriebs seitlich so versetzt, daß ein Raum, der eine Fließzone umgibt, die von den Spulen festgelegt ist, bei einem Minimum gehalten werden kann. Bei dieser Technik treten jedoch, da Hochfrequenzsströme, welche jeweils jeder der parallelen Spulen zugeführt werden, genau in der Frequenz miteinander übereinzustimmen haben, große Schwierigkeiten auf, um eine Gleichförmigkeit in einem umgebenden Magnetfeld rund um den Halbleiterstab zu erreichen.
Wenn mehrere Spulen vertikal angeordnet sind, selbst mit einem kleinen Spalt, dann wird das Magnetfeld, das durch die Spulen am Halbleiterstab erregt wird, verbreitert, verglichen mit jenem bei einer Einzelspule. Deshalb ist es schwierig, das Magnetfeld zur Bildung einer schmalen Fließzone zu konzentrieren, und somit schwierig, auf einem größeren Durchmesser zu arbeiten. Diese Tatsache erhob das ernsthafte Problem, weniger imstande zu sein, das Einkristall mit einem großen Durchmesser versetzungsfrei herzustellen.
Um die obigen Nachteil auszuräumen, ist eine andere Halbleiterstab-Schmelzvorrichtung vorgeschlagen (japanische Patentveröffentlichung (Kokoku) Nr. 56-11674). In dieser Vorrichtung, wie in den Fig. 3(A) und 3(B) gezeigt, liegen zwei bogenförmige Metallstücke 102 und 103 vor, die auf und längs der oberen oder unteren Fläche einer flachen, ringförmigen Hauptinduktionsheizspule 101 in konstantem Kontakt bewegt werden können, um die elektrische Leitung aufrechtzuerhalten. Die Metallstücke 102 und 103 werden enger aufeinander zu oder voneinander weg in Übereinstimmung mit dem Durchmesser eines herzustellenden Einkristalls bewegt, so daß ein Raum, der von den Metallstücken 102 und 103 festgelegt ist, in hohem Umfang verändert werden kann, um eine starke Koppelung zwischen diesen und der Zone beizubehalten. Bei diesem Stand der Technik bleibt jedoch das folgende Problem ungelöst.
Genauer gesagt, in einer Vorrichtung zum Herstellen eines Halbleiter-Einkristalls mit Zonenschmelzung unter Verwendung einer ringförmigen Heizspule wird ein Strom, der durch die Heizspule strömt, erhöht, wenn der Durchmesser eines herzustellenden Einkristalls erhöht wird, so daß man einen Induktionsstrom erhöht, der an einer Umfangsfläche des Halbleiterstabes erzeugt wird. Da jedoch ein großer Strom eine große Potentialdifferenz über die Heizspule hinweg erfordert, kann leicht eine elektrische Entladung an den sich bewegenden elektrischen Kontakten der Metallstücke 102 und 103 mit der Spule 101 auftreten. Da im allgemeinen ein Einkristall in einer Argon-Gasatmosphäre als Schutz hergestellt wird, kann die elektrische Entladung leicht auftreten.
Die elektrische Entladung beeinflußt nicht nur nachteilig die Kristallqualität, sondern veranlaßt die Spulen 101, 102 und 103 auch, die aus Kupfer oder Silber hergestellt sind, miteinander verschweißt zu werden.
Im Stand der Technik ist ein eine Fließzone umgebender Raum 104 von den beiden bogenförmigen Metallstücken 102 und 103 festgelegt, die an ihrer Innenseite einen kleineren Bogendurchmesser aufweisen als der Innendurchmesser der Heizspule 101. Aus diesem Grund wird, wenn die Metallstücke 102 und 103 voneinander in Übereinstimmung mit einer Zunahme im Durchmesser eines Einkristalls getrennt werden, wie in Fig. 3(B) gezeigt, ein Schlitzraum 104a, der zwischen den geradlinigen Kanten 102a und 103a gebildet ist, auf eine solche Weise aufgeweitet, daß ein abgestuftes Aussparungsprofil 104-104a zwischen den bogenförmigen Kanten der Metallstücke 102 und 103 sowie der Innenkante der Hauptinduktionsheizspule 101 gebildet würde. Somit wird ein ungleichförmiges Magnetfeld an der abgestuften Aussparung 104-104a gebildet, und die elektromagnetische Koppelung mit dem Halbleiterstab ist hier verringert. Das ungleichförmige Magnetfeld veranlaßt den die Fließzone umgebenden Raum 104a und eine Inhomogenität in der Verunreinigungskonzentration im Inneren des Einkristalls, da die Verfestigung an der Wachstumsfront wiederholt unterbrochen wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG:

Die vorliegende Erfindung wird in Anbetracht der Probleme des Standes der Technik vorgenommen und hat es als ihr Ziel, eine Halbleiterstab-Schmelzvorrichtung vorzusehen, worin ein Spalt zwischen einer Fließzone und einer Haupt- Induktionsheizspule mit Hilfe eines U-förmigen Metallteils geändert werden kann, welches die Lage relativ zur Haupt- Induktionsheizspule ändert, und worin die Fließzone mit einer ausreichenden Stabilität durch verbesserte Koppelung erhalten werden kann und im übrigen ganzzeitig bei einer Änderung im Durchmesser einer Schmelzzone eng beheizt ist, während die Gleichförmigkeit des elektromagnetischen Felds rund um die Schmelzzone in hohem Umfang verbessert wird.
Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiterstab-Schmelzvorrichtung vorzusehen, die konzentriert ein gleichförmiges Magnetfeld an einer engeren Fließzone anlegen kann, während sie die Gefahr einer elektrischen Entladung zwischen der Spule und dem Metallstück verhindert, und sie ist insbesondere geeignet zur Herstellung eines versetzungsfreien Einkristalls mit großem Durchmesser.
Es ist ein noch anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiterstab-Schmelzvorrichtung vorzusehen, worin ein gleichförmiges Magnetfeld stets gebildet werden kann, ohne daß man nachteilig einen eine Schwimmzone umgebenden Raum verformt, der zwischen den Spulen gebildet ist, selbst wenn die Spule und das Metallstück in Übereinstimmung mit einer Zunahme im Durchmesser eines hergestellten Einkristalls bewegt wird, so daß eine Verbesserung der elektromagnetischen Koppelung zwischen der Spule und einem Halbleiterstab und die Verhinderung einer Verschlechterung hierin gleichzeitig erreicht werden.
Die obigen und andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung noch näher ersichtlich.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist zum Erreichen der obigen Ziele eine Halbleiterstab-Schmelzvorrichtung vorgesehen, in welcher ein U-förmiges Metallstück (nachfolgend einfach als Metallstück bezeichnet) 20 so angeordnet ist, daß es mit seiner Hauptfläche mindestens einer der oberen und unteren Seitenflächen einer Haupt-Induktionsheizspule (nachfolgend als Hauptspule bezeichnet) 10 zugewandt ist, die eine Fließzone eines Halbleiterstabes umgibt, und ein die Fließzone umgebender Raum 30 wird durch die Relativbewegung zwischen der Spule 10 und dem Metallstück 20 längs der Spulenfläche verändert. Bei dieser Vorrichtung ist insbesondere eine U-förmige Innenkante 23 des Metallstücks 20 so ausgebildet, daß sie eine Öffnungsbreite aufweist, die ausreicht, um mindestens den Umfang des Innendurchmessers der Hauptspule 10 abzudecken. Zusätzlich werden die oberen und unteren Seitenflächen der Spule 10 und des Metallstücks 20, die einander zugewandt sind, durch ein dünnes Isolierteil 21 in Berührung gebracht, und die Spule 10 sowie das Metallstück 20 können im wesentlichen senkrecht zur Achsrichtung des Halbleiterstabes 1 relativ bewegt werden, ohne daß sie die Berührung zwischen ihnen verlieren.
In diesem Fall ist eine HF-Stromquelle 40 nur an der Hauptspule 10 angeschlossen, und das Metallstück 20 wird unter elektrische Isolierung gesetzt. Bei dieser Anordnung können die Spule 10 und das Metallstück 20 elektrisch als einzige Arbeitsspule dienen.
Da die Spule 10 und das Metallstück 20 relativ in einer Richtung senkrecht zur Axialrichtung des Halbleiterstabes 1 bewegt werden können, kann eine Antriebseinrichtung an mindestens einem von Spule 10 und Metallstück 20 vorgesehen sein; beispielsweise ist nur das Metallstück 20 beweglich. Antriebseinrichtungen 51 und 52 können sowohl an der Spule 10 als auch an dem Metallstück 20 so vorgesehen sein, daß die Spule 10 und das Metallstück 20 entsprechend enger an einen Halbleiterstab durch die Antriebseinrichtungen 51 und 52 bewegt werden können oder von diesen getrennt werden können, wobei der Halbleiterstab 1 als ihre Mitte angeordnet ist.
Es wird vermerkt, daß die in der vorliegenden Erfindung verwendete Hauptspule 10 eine ringförmige Spule mit nur einer Windung oder auch eine spiralige Spule mit vielen Windungen sein kann. Ein Flachspule mit einer einzigen Windung ist jedoch bevorzugt benutzt, um ein gleichförmiges Magnetfeld an eine engere Fließzone konzentrisch anzulegen.
Die Innenkante 23 des Metallstücks weist eine Öffnungsweite auf, die mindestens größer ist als der Innendurchmesser der Hauptspule 10, und sein Hauptabschnitt ist bevorzugt so geformt, daß er eine U-förmige Krümmung mit einer großen Krümmung aufweist (die Krümmung kann Teil eines Kreises, eine elliptische Kurve, eine hyperbolische Kurve oder eine parabolische Kurve sein). Wenn die Innenkante 23 so ausgebildet ist, daß sie einen echten Kreisbogen aufweist, ist ihr Krümmungsradius bevorzugt so festgesetzt, daß er geringfügig größer ist als jener des Innendurchmessers 11 der Hauptspule 10.
Die Gesamtform des Metallstücks 20 mit der Innenkante 23 als Teil unterliegt keinen speziellen Einschränkungen. Die Arme des Metallstücks 20 müssen jedoch so breit sein, daß innerhalb des ursprünglichen Innenraums der Spule kein neuer, leerer Raum ungenutzt gebildet wird. Wenn zusätzlich der bogenförmige Abschnitt so ausgebildet ist, daß er eine große Breite aufweist, kann ein Induktionsstrom nahe der Innenkante 23 konzentriert und zum Fließen gebracht werden.
Die Dicke des Metallstücks 20 ist bevorzugt so verringert, daß sie so klein wie möglich ist, und zwar im Hinblick auf die Feldkonzentration, und das Metallstück 20 sollte für die Verbesserung der Gleichförmigkeit des Feldes so dünn wie möglich sein.
Das Isolierteil 21, das zwischen den Flächen der Hauptspule 10 und dem Metallstück 20 eingesetzt ist, kann unabhängig von sowohl der Spule 10 als auch dem Metallstück 20 vorgesehen sein oder kann auf eine der gegenüberliegenden Oberflächen von Spule 10 und Metallstück 20 aufgepflanzt sein. Die Anzahl von Isolierteilen ist nicht auf eine spezielle Anzahl besonders begrenzt. Das Isolierteil 21 ist bevorzugt aus einem temperaturbeständigen Isolator gebildet, wie etwa Quarzglas und dergleichen, der der Strahlungswärme aus der Fließzone 2 widerstehen kann.
Das Isolierteil 21 ist bevorzugt neben dem abgelegenen Ende des einen Arms 22a des bogenförmigen Abschnitts 22 des Metallstücks angeordnet. Somit können die Spule 10 und das Metallstück 20 relativ bewegt werden, während man einen kleinen Spalt hierzwischen zusammen mit dem Isolierteil 21 aufrechterhält.
Bei der obigen Anordnung ist das Metallstück durch den bogenförmigen Abschnitt 22 gebildet, der die Innenkante 23 aufweist, die den Innendurchmesserraum 30 der Hauptspule 10 überbrückt. Wenn deshalb das Metallstück 20 an oder längs der Spulenoberfläche relativ bewegt wird, kann ein Spalt 30, der zwischen der Spule 10 und dem Metallstück 20 umschrieben ist, geändert werden, während er in einer nahezu kreisförmigen Form gehalten wird. Somit kann die extreme Ungleichmäßigkeit des Magnetfeldes verhindert werden und eine elektromagnetische Koppelung zwischen der Schmelzzone 2 und der Spule kann verbessert werden. Die Heiztemperatur kann somit am Umfang eines zu schmelzenden Gegenstandes stabilisiert werden, so daß die Herstellung eines Halbleiter-Einkristalls hoher Qualität ermöglicht wird.
Da der bogenförmige Abschnitt 22 teilweise einen Innenraum 30 der Hauptspule 10 verdeckt, kann eine nahezu kreisförmige Gestalt zwischen der Innenkante 23 des bogenförmigen Abschnitts und dem Innendurchmesserumfang 11 der Hauptspule gebildet werden. Somit müssen nicht zwei Metallstücke 20 angeordnet werden, so daß die Anordnung vereinfacht wird.
Das Metallstück 20 ist so angeordnet, daß es der oberen oder unteren Fläche der Hauptspule 10 zugewandt ist und sich in einem Zustand ohne elektrischen Kontakt mit einem Isolierteil 21 hierzwischen befindet. Wenn deshalb ein HF- Strom durch die Hauptspule 10 fließt, wird im Metallstück 20 ein Strom induziert und fließt an der Innenseite 23 des bogenförmigen Abschnitts 22 des Metallstücks 20 synchron zur Hauptspule 10. Deshalb arbeiten die Spule 10 und das Metallstück 20, als läge nur eine einzige Spule vor, die einen Innenraum aufweist, der zwischen der Spule 10 und dem Metallstück 20 gebildet ist.
Wenn deshalb die Spule 10 oder das Metallstück 20 relativ an und längs der Spulenfläche in diesem Zustand bewegt werden, arbeitet die Hauptspule, als wenn ihr Innendurchmesser 11 geändert würde, und der Zwischenraum 30, der die Fließzone 2 umgibt, kann geändert werden. Deshalb kann die Keimung mit einem Keimkristall und dem nachfolgenden Einkristallwachstum von einem Abschnitt mit kleinem Durchmesser (etwa 3mm) bis zu einem Abschnitt mit großem Durchmesser stabil durchgeführt werden.
In diesem Fall haben sowohl die Spule 10 als auch das Metallstück 20 eine flache Gestalt oder eine geringe Dicke und sind so angeordnet, daß sie einen kleinen Spalt hierzwischen zusammen mit dem Isolierteil 21 aufweisen. Deshalb wird die effektive Dicke der Hauptspule, die sowohl von der Spule 10 als auch dem Metallstück 20 gebildet ist, nicht erhöht, und ein Magnetfeld kann konzentriert auf die engere Fließzone 2 gebündelt werden, so daß die Herstellung eines versetzungsfreien Einkristalls mit großem Durchmesser erleichtert wird.
Die Spule 10 und das Metallstück 20 sind elektrisch voneinander getrennt. Selbst wenn ein hoher Strom durch die Hauptspule 10 in Übereinstimmung mit einer Zunahme im Durchmesser eines Einkristalls strömen würde, kann deshalb die elektrische Entladung verhindert werden, und somit auch die Verschlechterung in der Kristallqualität, die durch die elektrische Entladung verursacht würde, und Schwierigkeiten infolge einer Verschweißung von Spule und Metallstück können in vollkommener Weise verhindert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Zwischenraum 30, der zwischen der Hauptspule 10 und dem Metallstück 20 gebildet ist, geändert werden, die elektromagnetische Koppelung zwischen der Spule und einem Halbleiterstab, der zu schmelzen ist, kann gut aufrechterhalten werden und die Fließzone kann konzentrisch und homogen in ihrem Umfang erhitzt werden. Deshalb kann ein versetzungsfreier Einkristall mit großem Durchmesser mühelos gebildet werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:

Die Fig. 1(A) und 1(B) sind schematische Draufsichten, die Hauptteilanordnung einer Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiter-Einkristalls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen, worin jeweils die Relativbewegung einer Hauptspule und eines Metallstücks gemeinsam mit der Fertigungsfolge eines Halbleiter-Einkristalls gezeigt ist und im übrigen die Anordnung der Hauptspule und des Metallstücks vor oder nach dem Wachstum eines Kristalls mit kleinem Durchmesser nach der Keimung eines Keimkristalls in Fig. 1(A) gezeigt ist, und eine Anordnung der Hauptspule und des Metallstücks gezeigt ist, wenn eine Fließzone entsprechend einem beständigen Durchmesser eines Einkristalls in Fig. 1(B) geschmolzen wird;
die Fig. 2(A) und 2(B) sind jeweils Schnittansichten, die längs der Linien A-A' und B-Bß in Richtung der Pfeile in den Fig. 1(A) und 1(B) vorgenommen wurden; und
Fig. 3(A) und 3(B) sind schematische Draufsichten, die die Positionen von Spulen gemäß dem Stand der Technik zeigen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEI- SPIELS:

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es sollte vermerkt werden, daß Abmessungen, Materialien, Formen und die relative Lage der Zuordnung von Bestandteilen, die in diesem Ausführungsbeispiel beschrieben sind, lediglich Beispiele sind und den Umfang der vorliegenden Erfindung, soweit er nicht sonstwie spezifiziert ist, nicht einschränken.
Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Haupt-Teilanordnung einer Halbleiterstab-Schmelzvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie oben beschrieben, weist die Vorrichtung eine Haupt-Flachspule 10 mit einer einzigen Windung auf, die eine Fließzone 2 eines zu schmelzenden Halbleiterstabes 1 umgibt, und ist mit einer HF-Stromversorgung verbunden, sowie ein Metallstück 20, das oberhalb oder unterhalb einer unteren Fläche der Hauptspule 10 angeordnet ist und nicht an die HF-Stromversorgung angeschlossen ist. Das Metallstück 20 ist in elektrischer Isolierung angeordnet. Die Spule 10 und das Metallstück 20 können relativ auf und längs der Spulenoberfläche in Richtungen bewegt werden, die durch Pfeile a und b bezeichnet sind, um voneinander getrennt zu werden (oder um sich aneinander anzunähern).
Die Form der Hauptspule 10 wird im einzelnen beschrieben. Ein flacher Körper, der aus Kupfer oder Silber gebildet ist und einen im wesentlichen keilförmigen Querschnitt aufweist, ist zu einer Ringgestalt geformt, und nachfolgend sind Stromzufuhrrohre 14 an den äußeren Umfangsflächen an zwei Endabschnitten angeordnet, die einander zugewandt sind, mit einem Schlitzspalt 13 hierzwischen, so daß ein HF-Induktionsstrom von der HF-Stromversorgung 40 durch die Stromzufuhrrohre 14 zugeführt wird. Ein Innendurchmesser 11 der Spule ist so eingestellt, daß er kleiner ist als der Durchmesser eines polykristallinen Halbleiterstabes 4, der zu schmelzen ist, und der Querschnitt der Spule ist im wesentlichen keilförmig ausgebildet. Somit weist ein Magnetfeld, das rund um die Spule erzeugt wird, eine Intensitätsverteilung ähnlich der Querschnittsgestalt der Hauptspule auf, und als Ergebnis kann die Induktionserwärmung des Halbleiterstabes an einem schmalen Bereich des Umfangs konzentriert werden. Ferner ist ein Durchgangsloch 12 in der Hauptspule 10 nahe dem Außenumfang ausgebildet, und ein Kühlmittel, das von den Stromversorgungsrohren 14 her eingeleitet wird, kühlt die Hauptspule 10, während es im Inneren des Durchgangslochs 12 umläuft. Die Querschnittsform der Spule 10 ist auf die folgende Weise ausgelegt. Das heißt, die obere Fläche der Spule 10 ist von der äußeren Umfangskante zur Innenkante 23 hin geneigt, und die untere Fläche ist so ausgebildet, daß sie eine im wesentlichen horizontale Fläche ist. Somit kann das Metallstück 20 (das noch später zu beschreiben ist) in einer Richtung senkrecht zum Halbleiterstab an und längs der unteren Oberfläche der Hauptspule 10 verschoben werden.
Wie in Fig. 2(A) gezeigt, ist eine Antriebseinrichtung 51 zum Hin- und Herbewegen der Spule 10 in Richtung des Pfeiles b mit den verlängerten Abschnitten der Stromversorgungsrohre 14 gekoppelt.
Das Metallstück 20 ist aus einem dünnen, flachen Blech aus einem Metall, wie etwa Silber oder Kupfer (in diesem Fall ist eine Kühlung erforderlich) oder Wolfram oder Molybden gebildet. Das Metallstück 20 wird von einem sich geradlinig erstreckenden Trageabschnitt 24 und einem zu einem halbkreisförmigen Bogen geformten Abschnitt 22 gebildet, der an dem voraus laufenden Endabschnitt des Trageabschnitts 24 ausgebildet ist und teilweise den Halbleiterstab 1 umgibt.
Die Innenkante 23 des bogenförmigen Abschnitts 22 ist in einer halbkreisförmigen Gestalt ausgebildet, mit einem Durchmesser, der geringfügig größer ist als der Innendurchmesser der Hauptspule 10, und die Spanne zwischen den abgelegenen Enden der Arme 22a und 22b des bogenförmigen Abschnitts 22 ist so eingestellt, daß sie größer ist als der Innendurchmesser 11 der Hauptspule 10. Somit überbrückt die Innenkante 23 des bogenförmigen Abschnitts stets den innenseitigen Umfang der Hauptspule 10.
Die Breite des bogenförmigen Abschnitts 22 ist auf die folgende Weise festgesetzt. Wenn das Metallstück 20 bewegt wird und der innere Abschnitt der Innenkante 23 des bogenförmigen Abschnitts 22 mit dem Innenumfang der Hauptspule 10 zusammenfällt, wie in Fig. 1(B) gezeigt, dann liegt die Außenkante 25 nicht außerhalb des äußeren Umfangs der Hauptspule 10.
Ein kleiner Knollen 21, der aus Quarzglas gebildet ist, ist auf der Außenoberfläche des Armes 22a des bogenförmigen Abschnitts 22 aufgesetzt. Die untere Umfangsseite der Spule 10 und das Metallstück 20 sind einander mit einem geringen Spalt zugewandt, wobei der kleine Knollen 21 dazwischen angeordnet ist, und die Spule 10 und das Metallstück 20 sind auf und längs der Spulenoberfläche in Richtungen beweglich, die durch die Pfeile a und b bezeichnet ist, um voneinander getrennt zu werden. Die Größe des Knollens 21 ist nicht in besonderer Weise beschränkt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann ein Kühlrohr rund um das Metallstück 20 angeordnet sein, um eine Wasserkühlung zu ermöglichen.
Ein Isolierteil 27 ist an einem Endabschnitt zur Abstützung des Metallstücks 20 angebracht. Das Isolierteil 27 hält das Metallstück 20 elektrisch ungeerdet. Zusätzlich kann eine Antriebseinrichtung 52 mechanisch mit dem Metallstück 20 durch das Isolierteil 27 so gekoppelt werden, daß das Metallstück 20 in Richtungen hin- und herbewegt werden kann, die durch die Pfeile a und b bezeichnet sind.
Als Ergebnis können die Spule 10 und das Metallstück 20 hinsichtlich des Halbleiterstabes 1 eng zusammenkommen oder voneinander getrennt werden, und zwar auf und entlang der Spulenfläche in den Richtungen der Pfeile a und b mittels der Antriebseinrichtungen 51 und 52.
Die Antriebseinrichtungen 51 und 52 können lediglich die Spule 10 und das Metallstück 20 veranlassen, in vorbestimmten Richtungen mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit sich hin- und herzubewegen, die nicht speziellen Beschränkungen unterliegen. Beispielsweise können die Antriebseinrichtungen 51 und 52 mühelos durch einen Motor- und Nockenmechanismus, Motor- und Zahnstangenmechanismus oder Federmechanismus betätigt werden.
Die Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels wird nachfolgend beschrieben.
Als erstes ist der bogenförmige Abschnitt 22 der unteren Seitenfläche der Hauptspule 10 zugewandt, während sie miteinander durch den Knollen 21 in Berührung stehen, der am einen Arm 22a des bogenförmigen Abschnitts 22 des Metallstücks 20 vorgesehen ist. Nachfolgend werden die Spule 10 und das Metallstück 20 zur Mitte der gegenseitigen Annäherung bewegt und in vorbestimmten Lagen angehalten. Somit kann, wie in den Fig. 1(A) und 2(A) gezeigt, ein im wesentlichen elliptischer Raum, der die Spitze des verjüngten Abschnitts 2a des das startmaterial bildenden Polykristalls 4 umgibt, zwischen der Innenkante 23 des bogenförmigen Abschnitts und dem Innendurchmesser 11 der Hauptspule festgelegt werden.
Während man den im wesentlichen elliptischen Raum beibehält, wird der das Ausgangsmaterial bildende Polykristall 4 auf dem Keimkristall 5 zum Keimen gebracht. Nachfolgend wird die Induktionsbeheizung durchgehend während des Wachstums 6 mit hoher Geschwindigkeit eines Einkristalls mit kleinem Durchmesser durchgeführt.
Nach dem Wachstum 6 des Einkristalls mit kleinem Durchmesser werden die Spule 10 und das Metallstück 20 relativ zueinander auf und längs der Spulenoberfläche in Richtungen der Pfeile a und b durch die Antriebseinrichtungen 51 und 52 bewegt, während die Spule 10 und das Metallstück 20 relativ nach oben längs der Axialrichtung des Halbleiterstabes 1 bewegt werden, um einen konischen Abschnitt des Einkristalls 3 mit seinem zunehmenden Durchmesser zu bilden. Somit wird der Raum 30 im Inneren der Spule in Übereinstimmung mit dem Durchmesser des hergestellten Einkristalls erhöht, und die Bewegung der Fließzone 2 und das Wachstum des Einkristalls 3 können durchgeführt werden, während man eine gute elektromagnetische Koppelung aufrecht erhält. Die Bewegung der Spule 10 und des Metallstücks 20 wird fortgesetzt, bis die Fließzone 2 eine Lage erreicht, in der das Wachstum eines konstanten Solldurchmessers des Einkristalls 3 beginnt.
Wie in den Fig. 1(B) und 2(B) gezeigt, wird, wenn die Innenkante 23 des bogenförmigen Abschnitts 23 mit dem Innendurchmesser 11 der Hauptspule zusammenfällt, die Bewegung der Spule 10 und des Metallstücks 20 angehalten. Somit liegt der Innenumfang 11 der Hauptspule unmittelbar das elektromagnetische Feld fest, durch welches ein Halbleiterstab zonengeschmolzen werden soll. In diesem Zustand werden die Spule 10 und das Metallstück 20 relativ nach oben längs der Axialrichtung des Halbleiterstabes 1 so bewegt, daß das Schmelzen und die Einkristallbildung der Fließzone 2 bei ihrem Fortschritt gehalten werden kann, um den Körper des Einkristalls 3 mit konstantem Durchmesser zu erreichen.
Da in diesem Fall der eine Arm 22a des Metallstücks 20 neben der Hauptspule 10 durch den Vorsprung 21 angeordnet ist, kann ein Induktionsstrom nahe der Innenkante 23 des Metallstücks 20 synchron zu jenem der Hauptspule 10 zum Fließen gebracht werden.
Deshalb kann gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel ein versetzungsfreier Einkristall mit großem Durchmesser hergestellt werden.
Das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das die Spule 10 und das Metallstück 20 umfaßt, kann nicht nur bei einer Vorrichtung zum Herstellen eines Halbleiter-Einkristalls, wie etwa Germanium, Silicium und dergleichen verwendet werden, sondern auch zur Herstellung eines Verbindungs-Halbleiter-Einkristalls, wie etwa Galliumphosphat. Im einzelnen wird im letztgenannten Fall, wenn ein Element eine höhere Flüchtigkeit als andere Elemente aufweisen und somit die Stöchiometrie der Bildungselemente geeignet ist, sich während des Zonenschmelzens zu ändern, es empfohlen, den Atmosphärendruck bevorzugt während des Schmelzvorgangs und über den Partialdruck des flüchtigen Elements hinaus zu erhöhen.

Claims

1. Halbleiterstab-Zonenschmelzvorrichtung, in der ein Metallstück (20) der oberen oder unteren Oberfläche einer Haupt-Induktionsheizspule (10), die eine Fließzone (2) eines Halbleiterstabes (1) umgibt, und einem innerhalb der Spule befindlichen, durch Relativbewegung zwischen der Spule (10) und dem Metallstück (20) im wesentlichen variablen Raum (30) gegenüberliegt,

wobei die Innenkante (23) des Metallstücks (20), die dem Raum (30) innerhalb der Haupt-Induktionsheizspule (10> zugewandt ist, U-förmig, mit einer größeren Öffnungsweite als dem Innendurchmesser der Haupt-Induktionsheizspule (10) ausgebildet ist,

die einander gegenüberliegenden oberen und unteren Flächen der Haupt-Induktionsheizspule (10) und des Metallstücks (20) unter Bildung eines schmalen Spaltes über ein isolierendes Knotenelement (21) dicht beieinander liegen, und

wobei die Haupt-Induktionsheizspule (10) und das Metallstück entlang der Haupt-Spulenoberfläche unter Beibehaltung der Nähe zueinander beweglich sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Haupt-Induktionsheizspule (10) eine Einzelwindungs-Flachspule umfaßt, die an eine Hochfrequenz-Leistungsversorgung (40) über eine oder mehrere Leistungsversorgungsröhren (14) angeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Metallstück (20) eine flache Platte umfaßt, die einen weit geöffneten bogenförmigen Abschnitt (22), der nach der U-förmigen Innenkante (23) auf einer Seite gebildet ist, und auf der anderen Seite einen gestreckten Tragabschnitt (24) aufweist, dessen freies Ende von einem isolierenden Endelement (27), das zur elektrischen Isolation des Metallstücks (20) dient, gebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Innenkante (23) des Metallstücks (20) eine U-förmige Kurve, wie beispielsweise einen Kreis, eine Ellipse, eine hyperbolische Kurve, eine parabolische Kurve oder irgendeine andere Kurve mit nur einem Wendepunkt darstellt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das isolierende Knotenelement (21) aus einem ausreichend temperaturbeständigen Material, beispielsweise einem Quarzglas-Material, gebildet ist, um der Strahlungswärme von der in geschmolzenem Zustand befindlichen Fließzone (2) zu widerstehen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das isolierende Knotenelement (21) entweder an der Haupt-Induktionsheizspule (10) oder dem Metallstück (20) an den einander gegenüberliegenden Seiten angebracht ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das isolierende Knotenelement (21) an einem Arm (22a) des bogenförmigen Abschnitts (22) des Metallstücks (20) angebracht ist.