DE1224273B

DE1224273B - Device for crucible-free zone melting

Info

Publication number: DE1224273B
Application number: DES91655A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Wolfgang Keller
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1964-06-23
Filing date: 1964-06-23
Publication date: 1966-09-08
Also published as: NL6503268A; CH421902A; BE665683A; GB1045664A; US3310384A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

BOIdBOId

Deutsche Kl.: 12 c - 2German class: 12 c - 2

Nummer: 1224 273Number: 1224 273

Aktenzeichen: S91655IVc/12cFile number: S91655IVc / 12c

Anmeldetag: 23. Juni 1964Filing date: June 23, 1964

Auslegetag: 8. September 1966Opening day: September 8, 1966

Beim tiegelfreien Zonenschmelzen wird gewöhnlich ein stabförmiger Körper innerhalb eines Vakuumoder Schutzgasgefäßes mit seinen Enden lotrecht stehend eingespannt. Eine den stabförmigen Körper umgebende Heizeinrichtung dient zum Aufschmelzen eines kurzen Stücks der Länge des stabförmigen Körpers, der sogenannten Schmelzzone. Durch Relativbewegung zwischen dem zu behandelnden Körper und der Heizeinrichtung wird die Schmelzzone über die gesamte Länge des stabförmigen Körpers geführt. Als Heizeinrichtung hat sich insbesondere eine Induktionsheizspule bewährt, da mit ihrer Hilfe der Schmelzzone die notwendige Schmelzleistung ohne die Gefahr einer Verschmutzung durch Berührung od. dgl. zugeführt werden kann.In crucible-free zone melting, a rod-shaped body is usually created within a vacuum or Protective gas vessel clamped standing vertically with its ends. One the rod-shaped body surrounding heating device is used to melt a short piece of the length of the rod-shaped Body, the so-called melting zone. By relative movement between the body to be treated and the heating device becomes the melting zone over the entire length of the rod-shaped body guided. An induction heating coil has proven particularly useful as a heating device, since with its help the melting zone the necessary melting capacity without the risk of contamination through contact or the like. Can be supplied.

Es ist bereits bekannt, beim tiegelfreien Zonenschmelzen an das eine Ende des Halbleiterstabes einen Keimkristall anzuschmelzen, dessen Querschnitt erheblich geringer als der des behandelten Stabes ist. Auf diese Weise kann die Qualität des entstehenden Einkristalls insbesondere hinsichtlich der Versetzungsdichte verbessert werden. Nach dem Anschmelzen des Keimkristalls wird die Schmelzzone durch den gesamten Halbleiterstab geführt.It is already known in the case of crucible-free zone melting at one end of the semiconductor rod to melt a seed crystal whose cross-section is considerably smaller than that of the treated one Staff is. In this way, the quality of the single crystal that is produced can, in particular, with regard to the dislocation density can be improved. After the seed crystal has melted, the melting zone becomes passed through the entire semiconductor rod.

Bei der Behandlung von Halbleiterstäben mit verhältnismäßig großem Querschnitt, z. B. mit einem Querschnitt von mehr als 30 mm, treten nun insbesondere dann Schwierigkeiten auf, wenn ein dünner Keimkristall angeschmolzen werden soll. Wenn der Stabdurchmesser über ein bestimmtes Maß hinaus vergrößert wird, neigt die Schmelzzone sehr stark zum Auslaufen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn man die Induktionsheizspule, wie zur Zeit üblich, mit Strom der Frequenzen von etwa 3 bis 5 MHz speist. In diesem Fall ist nämlich die Stützwirkung des elektromagnetischen Feldes, die als formbildende Kraft wirksam ist, verhältnismäßig gering. Bei den Halbleiterstäben mit geringerem Stabdurchmesser ist sie zwar ausreichend, bei größeren Stabdurchmessern aber häufig nicht. Wird dagegen die Induktionsheizspule mit Strömen geringerer Frequenz, z. B. von 500 bis 1500 kHz, gespeist, so ist die Stützwirkung größer, dagegen ist die Heizwirkung geringer, insbesondere dann, wenn größere Abstände zu überwinden sind. Dies führt in den meisten Fällen dazu, daß an der Anschmelzstelle des dünneren Keimkristalls die Heizwirkung nicht mehr zum Schmelzen des Keimkristalls ausreicht.When treating semiconductor rods with a relatively large cross-section, e.g. B. with a Cross-section of more than 30 mm, difficulties arise in particular when a thinner Seed crystal is to be melted. When the rod diameter is beyond a certain level is enlarged, the melt zone has a very strong tendency to leak. This is particularly the case if you use the induction heating coil, as is customary at the time, with a current of frequencies from about 3 to 5 MHz feeds. In this case, namely, the supporting effect of the electromagnetic field, which as shape-forming force is effective, relatively low. For semiconductor rods with a smaller rod diameter it is sufficient, but often not with larger rod diameters. Will against it the induction heating coil with currents of lower frequency, e.g. B. from 500 to 1500 kHz, fed, so is the supporting effect is greater, but the heating effect is lower, especially when there are larger distances to be overcome. In most cases this leads to the thinner one at the melting point Seed crystal, the heating effect is no longer sufficient to melt the seed crystal.

Diese Schwierigkeiten werden bei einer Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines stabförmigen Körpers aus kristallinem Material, insbesondere aus Silicium, mit einem an ein Ende angesetzten Vorrichtung zum tiegelfreien ZonenschmelzenThese difficulties become in a device for crucible-free zone melting of a rod-shaped Body made of crystalline material, in particular made of silicon, with one attached to one end Device for crucible-free zone melting

Anmelder:Applicant:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft, , Berlin und Erlangen,Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,, Berlin and Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

ZZ

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Dr. rer. nat. Wolfgang Keller, Pretzfeld (OFr.) --.Dr. rer. nat. Wolfgang Keller, Pretzfeld (OFr.) -.

Keimkristall von wesentlich geringerem Querschnitt; die eine den lotrecht gehaltenen Stab eng umschließende, längs der Stabachse bewegbare und mit hochfrequentem Wechselstrom gespeiste Induktionsheizspule enthält, überwunden, wenn erfindungsgemäß zum Anschmelzen des Keimkristalls um diesen herum eine zweite Induktionsheizspule angeordnet ist mit kleinerem Innendurchmesser als die erste.' Dadurch ist es möglich, für die angegebenen unter^ schiedlichen Zwecke verschiedene Ströme von jeweils passender Frequenz zu verwenden. Vorteilhaft wird der Innendurchmesser der zweiten Induktionsheizspule nur wenig größer als der Außendurchmesser des Keimkristalls gewählt. Es genügt in den meisten Fällen, wenn nur die erste Induktionsheizspule relativ zum stabförmigen Körper bewegbar ist. Die zweite nur zum Aufschmelzen des Keimkristalls bzw. der Anschmelzstelle des Keimkristalls dienende Induktionsheizspule braucht nur über ein ganz geringes Stück der Stablänge bzw. überhaupt nicht beweglich zu sein.Seed crystal of much smaller cross-section; one of the vertically held rod tightly enclosing, movable along the rod axis and with contains high-frequency alternating current fed induction heating coil, overcome if according to the invention a second induction heating coil is arranged around the seed crystal to melt it is smaller in inner diameter than the first. ' This makes it possible for the specified under ^ different purposes different streams of each appropriate frequency to be used. The inside diameter of the second induction heating coil is advantageously only slightly larger than the outside diameter of the seed crystal is selected. In most cases it is sufficient if only the first induction heating coil is used is movable relative to the rod-shaped body. The second only to melt the seed crystal or The induction heating coil serving the melting point of the seed crystal only needs a very small one Piece of the rod length or not to be movable at all.

In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, aus denen weitere Einzelheiten hervorgehen.In the drawings, two exemplary embodiments of the invention are shown, from which further Details emerge.

Fig. 1 zeigt einen behandelten stabförmigen Körper aus kristallinem Material mit unten angeschmolzenem Keimkristall, während inFig. 1 shows a treated rod-shaped body made of crystalline material with melted at the bottom Seed crystal, while in

F i g. 2 der Keimkristall an das obere Ende eines Kristalls angeschmolzen ist.F i g. 2 the seed crystal is fused to the upper end of a crystal.

In F i g. 1 ist an einem Halbleiterstab 2, der beispielsweise aus Silicium besteht und einen Durchmesser von 40 mm hat, ein Keimkristall 3 angesetzt, der beispielsweise einen Durchmesser von 6 mm hat.In Fig. 1 is on a semiconductor rod 2, which is made of silicon, for example, and has a diameter of 40 mm, a seed crystal 3 is attached, which has a diameter of 6 mm, for example.

Zur Beheizung der Schmelzzone, die durch den Halbleiterstab 2 wandern soll, dient eine als flache Zylinderspule ausgebildete Induktionsheizspule 4. IhrA flat cylinder coil is used to heat the melting zone which is intended to migrate through the semiconductor rod 2 trained induction heating coil 4. Yours

>::ι.-;ΐ :■} O.:: '■ ·■' '! *η > :: ι .-; ΐ: ■} O. :: '■ · ■''! * η 609 659/243609 659/243

Innendurchmesser ist dem Außendurchmesser des Halbleiterstabes2 angepaßt, d.h., er ist nur wenige Millimeter, z. B. 2 mm, größer als der Außendurchmesser des zu behandelnden Körpers. Innerhalb dieser Spule ist eine zweite Induktionsheizspule 5 angeordnet, die im Ausführungsbeispiel als spiralig gewickelte Flachspule ausgebildet ist. Mit ihrer Hilfe wird zu Beginn des Verfahrens die Schmelzzone 6 erzeugt, die an der Ansatzstelle des Keimkristalls entstehen soll. Der Halbleiterstab 2 ist vorzugsweise vorbearbeitet, z. B. in Richtung zum Keimkristall 3 konisch geschliffen.The inner diameter is matched to the outer diameter of the semiconductor rod 2, that is, it is only a few Millimeter, e.g. B. 2 mm, larger than the outer diameter of the body to be treated. Within this coil is a second induction heating coil 5 is arranged, which in the embodiment as a spiral wound flat coil is formed. With their help, the melting zone 6 generated, which should arise at the point of attachment of the seed crystal. The semiconductor rod 2 is preferable preprocessed, e.g. B. ground conically towards the seed crystal 3.

Nachdem die Schmelzzone 6 mit Hilfe der Induktionsheizspule 5 erzeugt ist, wird auch die Induktionsheizspule 4 an eine entsprechende Stromquelle, z. B. einen Hochfrequenzgenerator, der mit einer Frequenz von. 1,5 MHz arbeitet, angeschlossen, worauf dann die Induktionsheizspule 5 abgeschaltet werden kann. Nachdem nämlich die Schmelzzone erst einmal erzeugt ist, kann auch die Induktionsheizspule 4 trotz des größeren Abstandes an die Schmelzzone ankoppeln. Dagegen besteht häufig nicht die Möglichkeit einer Ankopplung, solange noch das behandelte Material fest ist, z. B. im Falle von Halbleiterkörpern, die im kalten Zustand meistens als Isolator anzusprechen sind. Nach dem Abschalten der Heizspule 5 wird die Schmelzzone durch Relativbewegung der Heizspule 4 ebenfalls nach oben bewegt. Die Heizspule 5 kann vorher aus dem Feld der Heizspule 4 nach unten herausbewegt werden, wodurch die Sichtverhältnisse zur Schmelzzone verbessert werden. Hierfür ist eine geringe Beweglichkeit der Heizspule 5 notwendig, z. B. die Möglichkeit der Bewegung über eine Strecke von z.B. 10mm längs der Stabachse. Die Heizspule 5 kann aber auch gegebenenfalls einfach an ihrem Platz belassen werden, da sie ja dort nicht mehr elektrisch wirksam werden kann. Man kann beispielsweise einfach die Zuführungen der Heizspule 5 offenlassen, wodurch eine Ankopplung der Spule 5 an die Spule 4 sicher verhindert wird. Gegebenenfalls können auch entsprechende Kondensatoren parallel geschaltet werden, wodurch eine Verstimmung des Heizkreises der Spule 5 gegen den Heizkreis der Spule 4 zu erreichen ist.After the melting zone 6 has been generated with the aid of the induction heating coil 5, the induction heating coil 4 is also connected to a corresponding power source, e.g. B. a high frequency generator that operates at a frequency of. 1.5 MHz works, connected, what then the induction heating coil 5 can be switched off. After that the melting zone has been created is, the induction heating coil 4 can couple to the melting zone despite the greater distance. On the other hand, there is often no possibility of a coupling as long as what has been dealt with Material is solid, e.g. B. in the case of semiconductor bodies, which are usually addressed as an insulator in the cold state are. After switching off the heating coil 5, the melting zone is caused by the relative movement of the Heating coil 4 also moved upwards. The heating coil 5 can previously be removed from the field of the heating coil 4 be moved downwards, which improves the visibility of the melting zone. For this, a low mobility of the heating coil 5 is necessary, for. B. the possibility of movement over a distance of e.g. 10mm along the rod axis. The heating coil 5 can, however, also be simple if necessary be left in place, since it can no longer be electrically effective there. Man can, for example, simply leave the leads of the heating coil 5 open, thereby creating a coupling the coil 5 to the coil 4 is reliably prevented. If necessary, appropriate capacitors can also be used are connected in parallel, whereby a detuning of the heating circuit of the coil 5 against the Heating circuit of coil 4 can be reached.

Nach dem Abschalten der Spule 5 wird nun die Spule 4 nach oben bewegt, wodurch die Schmelzzone 6 ebenfalls nach oben bewegt wird. Hierbei wird die der Spule 4 zugeführte Heizleistung vergrößert, damit größere Mengen des Halbleitermaterials geschmolzen werden können-, so daß die Schmelzzone entsprechend dem zunehmenden Durchmesser vergrößert wird. Auf diese Weise kann die Schmelzzone 6 nach oben durch den gesamten stabförmigenAfter switching off the coil 5, the coil 4 is now moved upwards, whereby the melting zone 6 is also moved upwards. Here, the heating power supplied to the coil 4 is increased, so that larger quantities of the semiconductor material can be melted, so that the melting zone is enlarged according to the increasing diameter. In this way the melting zone 6 up through the entire rod-shaped

ίο Körper 2 geführt werden, worauf die Heizleistung so weit vermindert wird, daß lediglich eine Glühzone bestehen bleibt, welche dann durch Relativbewegung der Heizspule 4 nach unten bewegt wird. Dort kann das erneute Erschmelzen einer Schmelzzone gegebenenfalls durch die Heizspule 4 allein bewirkt werden.ίο body 2 are guided, whereupon the heating power so is greatly reduced that only one annealing zone remains, which is then caused by relative movement the heating coil 4 is moved downwards. A melting zone can optionally be re-melted there caused by the heating coil 4 alone.

Es kann aber auch eine zusätzliche oder alleinige Beheizung mit Hilfe der Induktionsheizspule 5 zur Erzielung der neuen Schmelzzone vorgesehen werden.But it can also be an additional or sole heating with the help of the induction heating coil 5 for Achievement of the new melting zone should be provided.

In F i g. 2 ist ein anderes Ausfuhrungsbeispiel dar-In Fig. 2 is another exemplary embodiment

zo gestellt, bei dem der Keimkristall am oberen Ende .des zu behandelnden stabförmigen Körpers angeordnet ist. Es hat sich nämlich als zweckmäßig erwiesen, in manchen Fällen bei größeren Stabdurchmessern die Wanderungsrichtung der Schmelzzone von oben nach unten vorzusehen. Entsprechende Teile der F i g. 2 sind mit dem Index α versehen.zo, in which the seed crystal is arranged at the upper end of the rod-shaped body to be treated. This is because it has proven to be expedient in some cases for larger rod diameters to provide the direction of migration of the melting zone from top to bottom. Corresponding parts of FIG. 2 are provided with the index α .

Claims

Claim:

Device for crucible-free zone melting of a rod-shaped body made of crystalline material, in particular made of silicon, with a seed crystal attached to one end of essential smaller cross-section, which tightly encloses the vertically held rod, along the Rod axis contains movable induction heating coil fed with high-frequency alternating current, characterized in that a second induction heating coil is arranged around the seed crystal for melting the seed crystal is with smaller inner diameter than the first one.

Considered publications:
German interpretative document No. 1128 413.

1 sheet of drawings