DE1205948B

DE1205948B - Device for continuous cleaning of fusible substances by zone melting

Info

Publication number: DE1205948B
Application number: DES67924A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Guenther Dipl-Phys
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1960-04-05
Filing date: 1960-04-05
Publication date: 1965-12-02

Description

Vorrichtung zum kontinuierlichen Reinigen von schmelzbaren Stoffen durch Zonenschmelzen Für ein kontinuierliches Zonenschmelzen ist ein Materialtransport durch die Zonenscbmelzapparatur erforderlich. Es ist bereits eine Vorrichtung zur Durchführung eines kontinuierlichen Zonenschmelzwerfahrens bekannt, bei welcher der Schmelztiegel als schräggestellte Rinne ausgebildet ist, wobei das zu reinigende Material fortlaufend aus einem Vorratsbehälter nachgeliefert wird. Beim kontinuierlichen Zonenschmelzen in schrägen Rinnen, bei dem das Halbleitermaterial entweder durch einen erhöhten oder verminderten Stabquerschnitt in der Schmelzzone transportiert wird, besteht die Gefahr, daß die Schmelze, insbesondere bei überhängen der Schmelzzone, abtropft.Device for the continuous cleaning of fusible substances by zone melting For continuous zone melting there is a material transport required by the zone melting apparatus. There is already a device for Implementation of a continuous zone melting process known in which the crucible is designed as an inclined channel, the to be cleaned Material is continuously replenished from a storage container. With continuous Zone melting in inclined channels, in which the semiconductor material either through transported an increased or decreased rod cross-section in the melting zone there is a risk that the melt, especially if the melt zone overhangs, drips off.

Der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen haben ergeben, daß dann, wenn die Schmelzrinne flach ausgebildet ist, d. h. bei einer quer zur Stabachse bzw. quer zum Materialtransport nur schwach geneigten Rinne, die Stabilität einer überhängenden Schmelzzone erhöht ist, also ein hoher Überhang und damit ein großer Materialtransport ermöglicht wird.Investigations on which the invention is based have shown that when the melt channel is flat, d. H. with one transverse to the rod axis or at right angles to the material transport only slightly inclined channel, the stability of a overhanging melting zone is increased, so a high overhang and thus a large one Material transport is made possible.

Unter einer flach ausgebildeten Schmelzrinne ist eine Rinne zu verstehen, bei der die Neigung der Seitenwände der Schmelzrinne gegen die Horizontale nicht größer als etwa 45° ist. Die untere Grenze dieses Neigungswinkels ist von _ der Oberflächenspannung des zu reinigenden Materials und vom verwendeten Tiegelmaterial abhängig. Die Neigung darf nicht so gering werden, daß das aufgeschmolzene Material auseinanderfließt. Diese Bedingung ist f'iir alle Neigungswinkel, die größer als etwa 8° sind, erfüllt.A flat melt channel is to be understood as a channel, in which the inclination of the side walls of the melt channel against the horizontal is not is greater than about 45 °. The lower limit of this angle of inclination is from the Surface tension of the material to be cleaned and of the crucible material used addicted. The inclination must not be so small that the melted material flows apart. This condition applies to all angles of inclination greater than about 8 ° are fulfilled.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden die Flüssigkeitsoberfläche einer Schmelzzone des zu reinigenden, in einer unter dem Winkel p gegen die Horizontale geneigten Rinne befindlichen Materials beschrieben.For a more detailed explanation of the invention, the liquid surface is described below a melting zone of the to be cleaned, in one at the angle p to the horizontal inclined channel located material described.

In F i g. 1 ist der Grat der Schmelzzone 1 dargestellt. Um eine mit stetiger Tangentialfläche gleichmäßige Stabdicke zu erhalten, ist bei E ein kontinuierlicher Übergang der Schmelzzonenfläche in die Oberfläche des mit Z bezeichneten, erstarrten Teils des Materials erforderlich.In Fig. 1 shows the ridge of the melting zone 1 . In order to obtain a uniform rod thickness with a constant tangential surface, a continuous transition from the melt zone surface to the surface of the solidified part of the material marked with Z is required at E.

Für den Grat der Schmelzzone lautet die Gleichgewichtsbedingung Dabei bedeutet a die Oberflächenspannung, o die Dichte des Materials, g die Erdbeschleunigung, po* den Innendruck, h die durch die Neigung des Grates gegen die Horizontale gegebene Höhe, r den Radius des Grates der Schmelzzone und s den Radius der Krümmung im Stabquerschnitt beim Grat.The equilibrium condition for the ridge of the melting zone is Here a means the surface tension, o the density of the material, g the acceleration due to gravity, po * the internal pressure, h the height given by the inclination of the ridge to the horizontal, r the radius of the ridge of the melting zone and s the radius of the curvature in the rod cross-section at Ridge.

In F i g. 2 ist der Längsschnitt durch eine Schmelzzone 1 des sich in der Rinne befindlichen Materials dargestellt, an die die beiden festen Teile 2 und 3 angrenzen. Der Winkel p gibt die Neigung der Rinne gegen die Horizontale an und d den senkrechten Abstand des Punktes D von den angrenzenden festen Oberflächenteilen des Materials. Während des Zonenschmelzverfahrens bewegt sich die Schmelzzone in Richtung des Pfeiles 4. Der auf Grund der Eigenschwere des Materials stattfindende Materialtransport ist ein »überschußtransport«. Um den somit bei B geforderten Übergang zu erzielen, muß die bei E beginnende Profilkurve der Schmelzzone bei D nach oben gekrümmt sein, d. h., der Radius r des Grats der Schmelzzone muß negativ sein; damit bei A wieder die strichpunktierte Linie 5 erreicht wird, muß r positiv werden. Durch D ist der Punkt gegeben, in dem die Krümmung wechselt. Das Positivwerden von r ist zu erreichen, wenn der Radius der Krümmung im Stabquerschnitt beim Grat mit zunehmendem d stark zunimmt. Je steiler die Abhängigkeit der Krümmung im Stabquerschnitt vom senkrechten Abstand d des Punktes D von den angrenzenden, festen Oberflächenteilen ist, desto höher ist der Materialtransport während des Zonenschmelzverfahrens. Diese steile Abhängigkeit, verbunden mit einer hohen Stabilität der Schmelzzone, erhält man, wenn man eine flache Schmelzrinne wählt.In Fig. 2 shows the longitudinal section through a melting zone 1 of the material located in the channel, to which the two fixed parts 2 and 3 adjoin. The angle p indicates the inclination of the channel to the horizontal and d the vertical distance of the point D from the adjoining solid surface parts of the material. During the zone melting process, the melting zone moves in the direction of arrow 4. The material transport that takes place due to the inherent gravity of the material is an "excess transport". In order to achieve the transition required at B, the profile curve of the melting zone beginning at E must be curved upwards at D, ie the radius r of the ridge of the melting zone must be negative; so that the dash-dotted line 5 is reached again at A, r must be positive. The point at which the curvature changes is given by D. R can become positive if the radius of the curvature in the rod cross-section at the ridge increases sharply with increasing d. The steeper the dependence of the curvature in the rod cross-section on the vertical distance d of the point D from the adjoining, solid surface parts, the higher the material transport during the zone melting process. This steep dependency, combined with a high stability of the melting zone, is obtained if a shallow melt channel is chosen.

In F i g. 3 ist die verwendete Schmelzrinne sowie die aufgeschmolzene Zone 12 im Querschnitt dargestellt. Das zu reinigende Material ist z. B. Germanium. Die Seitenwand 6 der einen trapezförmigen Querschnitt aufweisenden Rinne ist gegen die Horizontale um den Winkel ,B, der etwa 30° beträgt, geneigt. Die aus dem Boden 7 und den Seitenwänden 6 gebildete Schmelzrinne besteht z. B. aus bekohltem Quarz, der von Germanium nicht benetzt wird. Die Neigung der Schmelzrinne gegen die Horizontale beträgt (p = 9°. Mit dieser Anordnung beträgt der Materialtransport bei einem Zonendurchgang etwa 25 Klo des gesamten Volumens der Schmelzzone. Man benötigt also etwa vier Zonendurchgänge, um den Stab um eine Schmelzzonenlänge zu versetzen.In Fig. 3 shows the melt channel used and the melted zone 12 in cross section. The material to be cleaned is z. B. germanium. The side wall 6 of the channel, which has a trapezoidal cross-section, is inclined relative to the horizontal by the angle, B, which is approximately 30 °. The melt channel formed from the bottom 7 and the side walls 6 consists, for. B. from carbonized quartz, which is not wetted by germanium. The inclination of the melt channel relative to the horizontal is (p = 9 °. With this arrangement, the material transport for one zone passage is about 25 Klo of the total volume of the melting zone. Thus, about four zone passes are required to move the rod by one melting zone length.

Die Schmelzzone ist stabil, solange der in F i g. 2 mit a bezeichnete Winkel an der Aufschmelzstelle A kleiner ist als der durch die Oberflächenspannung der aneinandergrenzenden Medien 1 und 3 gegebene Randwinkel flüssig-fest, der für Germanium und Silicium bei etwa 50° liegt. Der Winkel a beträgt beispielsweise etwa 45°. Durch diese Randwinkelbedingung ist die Transportgeschwindigkeit des Materials begrenzt. Sie kann aber erhöht werden, wenn durch zusätzliche Maßnahmen, wie z. B. durch Verwendung eines elektromagnetischen Stützfeldes, das Abtropfen der Schmelze auch für Werte von «, die größer als dieser Randwinkel sind, verhindert wird.The melting zone is stable as long as the one shown in FIG. 2 labeled a Angle at the melting point A is smaller than that due to the surface tension the adjacent media 1 and 3 given contact angle liquid-solid, which is for Germanium and silicon is around 50 °. The angle a is, for example, approximately 45 °. The transport speed of the material is determined by this boundary angle condition limited. However, it can be increased if additional measures, such as. B. by using an electromagnetic support field, the dripping of the melt is also prevented for values of «which are greater than this contact angle.

In F i g. 4 ist ein Längsschnitt durch eine Schmelzzone 11 zwischen zwei erstarrten Teilen 9 und 10 dargestellt. Die Bewegung der Schmelzzone erfolgt in diesem Fall in Richtung des Pfeiles 8, also aufwärts. Um beim Aufwärtslaufen der Schmelzzone bei F den Anschluß zu erhalten und nicht die Schmelzzone abrutschen zu lassen, muß der in F i g. 4 mit ä bezeichnete Winkel größer als der Randwinkel sein. Durch eine flache Rinne wird auch bei diesem Verfahren die Stabilität der Schmelzzone und damit der mögliche Materialtransport erhöht.In Fig. 4 is a longitudinal section through a melting zone 11 between two solidified parts 9 and 10 shown. The melting zone moves in this case in the direction of arrow 8, ie upwards. To when walking upwards the melting zone at F to maintain the connection and not slip off the melting zone to leave, the one shown in FIG. 4 with ä designated angle greater than the edge angle be. With this method, too, the stability of the Melting zone and thus the possible material transport increased.

In F i g. 5 ist eine Schmelzrinne 14 im Querschnitt dargestellt, die durch einen Teil eines Zylindermantels gebildet ist. Um einen großen Materialtransport bei stabiler Schmelzzone zu erhalten, muß die Breite b der Rinne kleiner als R 1/_I sein, wobei R den Radius des Zylinders bedeutet.In Fig. 5 shows a melt channel 14 in cross section, which is formed by part of a cylinder jacket. In order to obtain a large material transport with a stable melting zone, the width b of the channel must be smaller than R 1 / _I, where R means the radius of the cylinder.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann besonders zum Reinigen von Halbleitermaterialien, wie Germanium, Silicium oder AIIIBv-Verbindungen, verwendet werden.The device according to the invention can particularly be used for cleaning Semiconductor materials such as germanium, silicon or AIIIBv compounds are used will.

Claims

Claims: 1. Device for the continuous cleaning of meltable substances through zone melting with continuous subsequent delivery of to cleaning material from a storage container, in which the crucible as an inclined Channel is formed, characterized in that the channel is transverse to the direction of the Material transport is flat and a slope of the side walls against the horizontal which is no greater than about 45 °.

2. Device according to Claim 1, characterized in that the channel has a trapezoidal cross-section.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the channel as part of a Cylinder jacket formed and the width of the channel smaller than the product is the radius of the cylinder and the square root of 2.

4. Device according to one of the Claims 1 to 3, characterized in that upon movement of the melting zone in Direction of material transport the angle (a) representing the inclination of the melting zone at the melting point (A) is smaller than that due to the surface tension the adjoining media is given contact angle.

5. Device after one of claims 1 to 3, characterized in that when the melting zone moves against the direction of material transport the angle (a '), which defines the inclination of the melting zone at the melting point (F) is smaller than that due to the surface tension the adjoining media is given contact angle. Considered publications: German Patent No. 1035 906; German Auslegeschrift No. 1044 770; U.S. Patent No. 2,852,351.