DE1277813B - Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterial - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

BOId

BOIj

Deutsche Kl.: 12c-2

12 g-17/10

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

P 12 77 813.1-43 (S 66492)

31. Dezember 1959

19. September 1968

Das Hauptpatent betrifft ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterial, bei dem eine Schmelzzone zwischen den beiden gehalterten Enden eines Halbleiterstabes in Richtung der Stabachse entlanggeführt wird, die mittels induktiver Erhitzung durch eine von einem Hochfrequenzgenerator gespeiste, den Stab ringförmig umgebende Spule erzeugt wird, und bei welchem der in die Spule eingespeiste, von dem Durchmesser des Stabes abhängige Strom zur Steuerung einer Einrichtung verwendet wird, welche die beiden Halterungen in der Weise einander nähert bzw. voneinander entfernt, daß der Strom in der Hochfrequenzspule auf einen gewünschten Wert zurückgeführt wird, wobei der Blindstrom der Heizspule mit Hilfe einer parallelgeschalteten Kapazität auskompensiert wird. Der gewünschte Stabdurchmesser wird durch Einstellung der Frequenz des Hochfrequenzgenerators eingestellt. Dieses Verfahren beruht auf der Entdeckung, daß bei gegebenem Heizkreis und konstanter Kopplung zwischen Heizkreis und Hochfrequenzgenerator ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Generatorfrequenz, dem in die Heizspule eingespeisten Strom und dem Durchmesser des Halbleiterstabes besteht, daß man also durch Einstellen bestimmter Werte von Frequenz und Heizstrom bestimmte reproduzierbare Stabdurchmesser erzwingen kann.

Nach einem früheren Vorschlag soll bei einem Verfahren zur Züchtung eines Einkristalls aus einem polykristallinen Halbleiterstab durch tiegelfreies Zonenschmelzen mit Hilfe eines angeschmolzenen Keimkristalls, bei dem die Schmelzzone mehrfach durch den Halbleiterstab hindurchgeführt wird, ein Keimkristall angeschmolzen werden, der einen wesentlich geringeren Querschnitt als der Halbleiterstab hat. Dieses Verfahren hat gewisse Vorteile gegenüber ähnlichen Verfahren, bei denen Keimkristalle mit dem gleichen oder fast gleichen Durchmesser wie der Halbleiterstab verwendet werden. Insbesondere ist die Wärmeabfuhr zur Halterung über den geringeren Querschnitt wesentlich vermindert, was zu einer Verkleinerung des Temperaturgradienten in dem auf die Anschmelzstelle folgenden Stabteil und damit zu einer Verminderung der Gitterstörungen in dem rekristallisierenden Halbleitermaterial führt.

Wenn man nun bei dem Verfahren nach dem Hauptpatent einen Keimkristall mit wesentlich geringerem Querschnitt als der Halbleiterstab entsprechend dem genannten Vorschlag verwendet, so ergeben sich Schwierigkeiten. Die Form des Übergangs zwischen dem Halbleiterstab normaler Dicke und Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterial

Zusatz zum Patent: 1215109

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8520 Erlangen, Werner-von Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. rer. nat. Wolfgang Keller, 8551 Pretzfeld - -

ao dem dünneren Keimkristall bleibt nicht erhalten. Entsprechend der Regelung auf konstanten Stabquerschnitt wird der Keimkristall verdickt. Spätestens nach mehreren Durchläufen der Schmelzzone ist der Querschnitt des Keimkristalls dem des übrigen Halbleiterstabes angeglichen, und die Vorteile des früheren Vorschlages (geringere Wärmeabführung, verminderter Übertritt von Verunreinigungen aus dem Keimkristall, verringertes Aufwachsen von Gitterstörungen aus dem Keimkristall) treten nicht mehr ein.

Die Beseitigung dieser Unzulänglichkeiten ist das Ziel der Erfindung. Sie betrifft deshalb ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterial, bei dem eine Schmelzzone zwischen den beiden gehalterten Enden eines Halbleiterstabes in Richtung der Stabachse entlanggeführt wird, die mittels induktiver Erhitzung durch eine von einem Hochfrequenzgenerator gespeiste, den Stab ringförmig umgebende Spule erzeugt wird, und bei welchem der in die Spule eingespeiste, von dem Durchmesser des Stabes abhängige Strom zur Steuerung einer Einrichtung verwendet wird, welche die beiden Halterungen in der Weise einander nähert bzw. voneinander entfernt, daß der Strom in der Hochfrequenzspule auf einen gewünschten Wert zurückgeführt wird, wobei der Blindstrom der Heizspule mit Hilfe einer parallelgeschalteten Kapazität auskompensiert und ein gewünschter Stabdurchmesser durch Einstellung der Frequenz des Hochfrequenzgenerators eingestellt wird, nach Patent 1 215 109. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß beim an sich bekannten Zonenschmelzen eines Halbleiterstabes mit

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einem angeschmolzenen Keimkristall mit wesentlich In F i g. 3 ist eine Vorrichtung dargestellt, wie sie geringerem Querschnitt, wobei die Schmelzzone vom zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah-Keimkristall beginnend gezogen wird, der Strom in rens Verwendung finden kann. Der Halbleiterstab 2 der Hochfrequenzspule zunächst konstant gehalten, mit dem angeschmolzenen Keimkristall 3 ist in zwei dann etwas abgesenkt und dann ansteigend auf einen 5 Halterungen 6 und 7 gehaltert. Eine Induktionsheizdem dickeren Querschnitt des Stabes entsprechenden spule 4 umschließt einen Abschnitt des Halbleiter-Endwert gebracht wird, während die Frequenz des Stabes und erzeugt eine Schmelzzone 5. Die Heiz-Hochfrequenzgenerators von dem dem Keimling ent- spule 4 wird an den Klemmen 8 von einem Hochsprechenden Wert monoton auf den dem dickeren frequenzgenerator 9 gespeist, der mit den Klemmen Querschnitt entsprechenden Endwert eingestellt io 10 an das Energieversorgungsnetz angeschlossen ist. wird. Ein Drehknopf 11 soll symbolisieren, daß die Fre-

An Hand der Zeichnungen soll die Erfindung quenz des Hochfrequenzgenerators von außen einnäher erläutert werden. stellbar ist. Die Drehknopfskala kann in Durch-

F i g. 1 zeigt den Übergang von dem dünnen Keim- messerangaben des zu schmelzenden Halbleiterkristall zum Halbleiterstab; 15 materials geeicht werden.

F i g. 2 stellt ein Diagramm des Steuerungspro- Ein Kondensator 12 ist der Heizspule 4 parallel-

gramms dar; geschaltet und dient zur Kompensation des Blind-

F i g. 3 zeigt das Schema einer zur Durchführung stromes. Er bildet mit der Heizspule 4 einen Sekun-

des Verfahrens geeigneten Vorrichtung. därschwingkreis, den Heizkreis. Die Heizspule ist

Fig. 1 enthält den Halbleiterstab2, den Keim- 20 auf einem isolierenden Träger 13 befestigt, der mit

kristall 3 und die Induktionsheizspule 4, die eine Hilfe einer Zahnstange 14 und eines Zahnrades 15

Schmelzzone S umschließt. Zweckmäßigerweise ist in Längsrichtung der Achse des Halbleiterstabes be-

die Heizspule als Flachspule ausgebildet. Ein Pfeil χ wegt werden kann. Ein Elektromotor 16 treibt das

zeigt die Wanderungsrichtung der Heizspule im Ver- Zahnrad, hältnis zum Halbleiterstab an. 25 Es besteht im Prinzip kein Unterschied, ob die

In Fig. 2 ist ein Diagramm aufgetragen, welches Heizspule bei ruhendem Halbleiterstab oder der

den zu fordernden Zusammenhang zwischen Genera- Halbleiterstab bei ruhender Heizspule bewegt wird,

torfrequenz fg bzw. Heizstrom J_A und dem Weg χ Genauso besteht auch grundsätzlich kein Unter-

der Heizspule zeigt, und zwar in einem Bereich, der schied, ob die obere oder die untere Stabhalterung von der Aufschmelzstelle in dem dünnen Keim- 30 bewegt wird, wenn durch Näherung oder Entfernung

kristall^ bis zum Erreichen stabiler Verhältnisse der beiden Stabenden eine Stauchung oder Strek-

der Schmelzzone im gleichbleibenden Halbleiterstab- kung der Schmelzzone hervorgerufen werden soll.

Querschnitt X₂ reicht. Im vorliegenden Fall, bei dem ein Keimkristall

Zunächst wird im Bereich des dünnen Keimkri- wesentlich geringeren Querschnitts an das untere stals eine Schmelzzone erzeugt. Zu diesem Zweck 35 ^{Ende des} Stabes angeschmolzen ist, hat es sich aber wird der Heizspule ein Strom zugeführt, wie er dem als zweckmäßig erwiesen, bei konstanter Geschwineingezeichneten Anfangswert an der Stelle^ ent- digkeit der Heizspule die untere Stabhalterung7 spricht. Die Generatorfrequenz fg entspricht dabei ruhen zu lassen und die obere Stabhalterung 6 in im großen und ganzen ebenfalls ihrem an dieser Achsrichtung des Stabes zu bewegen, da im Bereich Stelle eingezeichneten Wert. Sie wird zwecks Kon- 40 der Anschmelzstelle der Einfluß des dickeren Stabstanthaltung des Heizstromes J_A geregelt und teiles sich wesentlich wirksamer bemerkbar macht, schwankt deshalb beim Aufheizen des Halbleiter- Die untere Stabhalterung 7 kann vorteilhaft in bematerials ein wenig. Nach dem Durchschmelzen des kannter Weise in Rotation gehalten werden. Keimkristalls wird die Bewegung der Heizspule ein- Der Anodenstrom des Hochfrequenzgenerators 9 geschaltet. Die Generatorfrequenz fg wird in einem 45 ist von der aufgenommenen Leistung des Heizkreises stetigen Anstieg auf den bei x₂ eingezeichneten Wert abhängig und damit von dem Durchmesser des Halbgeführt, der dem normalen Durchmesser des Halb- leiterstabes, da eine Änderung des Stabdurchmessers leiterstabes entspricht. Der Heizstrom J_A wird zu- eine Änderung der Kopplung zwischen Spule 4 und nächst auf dem an der Stelle X₁ vorhandenen Wert Schmelzzone 5 bewirkt. Eine solche Änderung des gehalten. Da anschließend infolge des größer wer- 50 Anodenstromes wird durch das Meßgerät 17 angedenden Durchmessers des Halbleitermaterials eine zeigt und ruft an dem Widerstand 18 einen Spanbessere Ankopplung der Heizspule an die Schmelz- nungsabfall hervor. Dieser Widerstand wird so einzone erfolgt, kann zunächst der Heizstrom etwas ab- gestellt, daß ein Anodenstrom, wie er bei dem gesinken, muß aber bald wieder ansteigen, da mit wünschten Durchmesser des Halbleiterstabes aufgrößer werdendem Durchmesser auch größere 55 tritt, einen Spannungsabfall gleich der Spannung der Materialmengen aufgeschmolzen werden müssen und Batterie 19 bewirkt. Dies führt dazu, daß das gepolte die Verluste durch Wärmeabstrahlung ansteigen. Er Relais 20 in Ruhestellung liegt, steigt dann bis zu dem an der Stelle X₂ benötigten Ändert sich nun der Stabdurchmesser, so ändert Wert an. sich auch der Anodenstrom und damit der Spanin einem praktisch durchgeführten Versuch, bei 60 nungsabfall an dem Widerstand 18. Das Relais 20 dem ein Halbleiterstab mit 18 mm Durchmesser und zieht an und schließt die Kontakte 21 in der einen ein Keimkristall mit 4,5 mm Durchmesser verwendet Richtung, wodurch der Motor 22 eingeschaltet wird, wurden, hatte die Strecke zwischen X₁ und X₂ eine Dieser bewegt über ein Zahnrad 23 eine Zahnstange Länge von 45 mm. Der dem Heizstrom proportionale 24, mit deren Hilfe die obere Stabhalterung 6 ent-Anodenstrom des Hochfrequenzgenerators betrug an 65 weder der unteren Stabhalterung 7 genähert oder von der Stelle X₁ 0,45 A und an der Stelle X₂ 0,52 A, die dieser entfernt wird. Durch entsprechende Polung Frequenz fg an der Stelle X₁ 3785 kHz und an der von Relais 20 und Motor 22 läßt sich erreichen, daß Stelle x₂ 4000 kHz. der Motor 22 immer in der richtigen Richtung um-

läuft, d. h., daß bei zu großem Stabdurchmesser ein Strecken und bei zu kleinem Stabdurchmesser ein Stauchen der Schmelzzone erfolgt. Auf diese Weise wird also ein definierter Durchmesser der diesem Verfahren unterworfenen Halbleiterstäbe erzwungen.

Damit nun dieser Effekt nicht in dem Bereich, in dem er unerwünscht ist, d. h. also im Keimkristall und an der Anschmelzstelle des Keimkristalls, auftritt, ist es notwendig, hiergegen besondere Verfahrensmaßnahmen zu treffen. Die mit der eingestellten Generatorfrequenz und mit der Spannung der Batterie 19 vorgegebenen Vergleichswerte, die für den Halbleiterstab normalen Durchmessers gelten, müssen auf die in dem besagten Bereich benötigten Werte gebracht werden. Generatorfrequenz und Heizstrom müssen also den in F i g. 2 dargestellten Verlauf nehmen. Die Generatorfrequenz kann beispielsweise durch parallelgeschaltete Kapazitäten verändert werden, während man den Heizstrom durch eine Zusatzspannung (positiv oder negativ) zu der Spannung der Batterie 19 ändern kann.

In dem dargestellten Beispiel ist deshalb die Parallelschaltung einer Reihe von Kapazitäten 25 zum frequenzbestimmenden Schwingkreis des Hochfrequenzgenerators 9 vorgesehen. Diese können an den Klemmen 26 angeschlossen werden. Ein Schrittschaltwerk, das zweckmäßigerweise mit dem Antrieb der Heizspule synchron läuft, schaltet die Kapazitäten 25 programmgemäß zu und ab. In der F i g. 3 ist durch eine über eine Kupplung 27 an den Motor 16 angeschlossene Welle angedeutet, daß der Kontakthebel 28 eine Kontaktbahn synchron mit dem Antrieb der Heizspule bestreicht.

Auf der gleichen Welle ist ein zweiter Kontakthebel 29 befestigt, der ebenfalls eine Kontaktbahn bestreicht und hierdurch Teilspannungen einer Zusatzspannung U₂ an die Klemmen 30 legt. Ein Spannungsteiler 31 ist mit entsprechenden Stufen an die einzelnen Kontakte der Kontaktbahn gelegt. In dem geschilderten praktisch ausgeführten Beispiel wurden 52 Einzelschritte zur Verwirklichung des in F i g. 2 dargelegten Programms vorgesehen.

Selbstverständlich kann die Erfindung auch in anderer Form ausgeführt werden, beispielsweise, indem statt des stufigen Aufbaus der Zusatzkapazität ein Drehkondensator mit entsprechend geformten Elektrodenblechen vorgesehen wird, der dann natürlich eine kontinuierliche Verstellung ermöglicht. So kann man auch die Beziehung zwischen Generator- und Heizkreis dadurch ändern, daß man die Generatorfrequenz konstant hält und die Kapazität des Heizkreises verändert.

Nach Durchlaufen des besagten Bereichs der Programmsteuerung wird die Kupplung 27 gelöst, worauf die Kontakthebel 28 und 29 in der gezeichneten Stellung stehenbleiben. Die Unterbrechung kann ebenfalls elektrisch erfolgen, z. B. mit Hilfe eines (nicht gezeichneten) Anschlagkontakts an der Bahn des Heizspulenträgers 13, durch den ein Stromkreis geschlossen wird, der die Kupplung 27 (beispielsweise eine elektromagnetische Kupplung) löst. An diesem Heizspulenträger können auch weitere Schaltmittel angebracht sein, die mit Endkontakten zusammenwirken und hierdurch eine Umkehrung der Bewegungsrichtung der Heizspule hervorrufen, eine Umschaltung der Heizleistung von der vorbeschriebenen Regelung bei der Aufwärtsbewegung der Heizspule auf eine verminderte Leistungszufuhr

ίο bei der Abwärtsbewegung (Glühzone statt Schmelzzone) vornehmen und die Ab- und Einschaltung der Drehung der unteren Stabhalterung vornehmen. Die einzelnen Steuer- und Schützstromkreise, die hierfür nötig sind, wurden der Übersichtlichkeit halber in der Zeichnung weggelassen. Sie können in einer jedem Fachmann geläufigen Weise ausgeführt werden.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterial, bei dem eine Schmelzzone zwischen den beiden gehalterten Enden eines Halbleiterstabes in Richtung der Stabachse entlanggeführt wird, die mittels induktiver Erhitzung durch eine von einem Hochfrequenzgenerator gespeiste, den Stab ringförmig umgebende Spule erzeugt wird, und bei welchem der in die Spule eingespeiste, von dem Durchmesser des Stabes abhängige Strom zur Steuerung einer Einrichtung verwendet wird, welche die beiden Halterungen in der Weise einander nähert bzw. voneinander entfernt, daß der Strom in der Hochfrequenzspule auf einen gewünschten Wert zurückgeführt wird, wobei der Blindstrom der Heizspule mit Hilfe einer parallelgeschalteten Kapazität auskompensiert und ein gewünschter Stabdurchmesser durch Einstellung der Frequenz des Hochfrequenzgenerators eingestellt wird, nach Patent 1 215 109, dadurch gekennzeichnet, daß beim an sich bekannten Zonenschmelzen eines Halbleiterstabs mit einem angeschmolzenen Keimkristall mit wesentlich geringerem Querschnitt, wobei die Schmelzzone vom Keimkristall beginnend gezogen wird, der Strom in der Hochfrequenzspule zunächst konstant gehalten, dann etwas abgesenkt und dann ansteigend auf einen dem dickeren Querschnitt des Stabes entsprechenden Endwert gebracht wird, während die Frequenz des Hochfrequenz-So generators von dem dem Keimling entsprechenden Wert monoton und auf den dem dickeren Querschnitt entsprechenden Endwert eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung des Keimkristalls am unteren Ende des senkrecht stehenden Halbleiterstabes die Heizspule mit einer relativ zur unteren Stabhalterung gleichmäßigen Geschwindigkeit nach oben bewegt und lediglich die obere Stabhalterung bewegt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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