DE1519894A1

DE1519894A1 - Process for crucible-free zone melting

Info

Publication number: DE1519894A1
Application number: DE19661519894
Authority: DE
Inventors: Reuschel Dipl-Chem Dr Konrad; Keller Dr Wolfgang
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1966-06-15
Filing date: 1966-06-15
Publication date: 1971-01-21
Also published as: DK138779B; GB1175449A; NL6708321A; DK138779C; DE1519894B2; NL143435B; BE699651A; US3685973A

Description

SIEMENS-SCHUCKERTWERKE Erlangen ' ^- -Mi 1966SIEMENS-SCHUCKERTWERKE Erlangen '^ - -Mi 1966

Aktiengesellschaft Werner-von-Siemens-Str.Aktiengesellschaft Werner-von-Siemens-Str.

PLA 66/1386PLA 66/1386

Verfahren zum tiegelfreien ZonenschmelzenProcess for crucible-free zone melting

Beim tiegelfreien Zonenschmelzen kristalliner Stäbe, insbesondere von Halbleiterstäben mit größerem Querschnitt, beispielsweise von Siliziumstäben mit mehr als 25 mm Durchmesser, mit Hilfe einer Induktionsspule . neigen die Kristalle zuweilen dazu, während ihres Wachstums derart seitlich auszuwandern, daß die Stäbe nach Beendigung des Verfahrens korkenzieherartig geschwungene Formen aufweisen. Diese unerwünschte Verformung ist besonders dann zu beobachten, wenn der auskristallisierende Stabteil in verhältnismäßig rasche Drehung versetzt oder derart nachbe-In the case of crucible-free zone melting of crystalline rods, in particular semiconductor rods with a larger cross section, for example of silicon rods with a diameter of more than 25 mm, using an induction coil. the crystals sometimes tend to to migrate sideways during their growth in such a way that the rods curved like a corkscrew after the end of the process Have shapes. This undesirable deformation can be observed particularly when the part of the rod that crystallizes out rotated relatively quickly or in such a way

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heizt wird, daß die als Erstarrungsfront bezeichnete Grenzfläche flüssig/fest, annähernd eben ist. Die geschilderten unerwünschten Verformungen möglichst zu verhindern, ist ein Hauptzweck der Erfindung. Weitere Ziele sind weiter unten angegeben. Demgemäß betrifft die Erfindung ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines-kristallinen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes, der zusammen mit einem an einem seiner beiden Enden angefügten Keimkristall lotrecht zwischen zwei Stabh'alterungen eingespannt wird und in dem mittels einer seine Achse umschließenden und mit Wechselstrom gespeisten Induktionsheizspule eine Schmelzzone erzeugt wird, die den Stab in zwei Teile trennt und durch Relativbewegung von Spule und Stab in Achsrichtung des letzteren durch diesen der Länge nach vom Keimkristall zum anderen Ende hinbewegt wird, so daß jeweils ein Stabteil der Schmelze zugeführt wird und ein zweiter Stabteil aus der Schmelze auskristallisiert. Erfindungsgemäß wird mindestens ein Teil der Längs-it is heated that the interface referred to as the solidification front is liquid / solid, almost flat. One of the main purposes of the is to prevent the described undesired deformations as much as possible Invention. Further goals are given below. Accordingly, the invention relates to a method for crucible-free zone melting a crystalline rod, in particular a semiconductor rod, which, together with a seed crystal attached to one of its two ends, is clamped vertically between two rod holders and in which a melting zone is created by means of an induction heating coil which surrounds its axis and is fed with alternating current which separates the rod into two parts and by relative movement of the coil and rod in the axial direction of the latter is moved by this lengthwise from the seed crystal to the other end, so that in each case a rod part is fed to the melt is and a second rod part crystallizes from the melt. According to the invention, at least part of the longitudinal

mit
bewegung der Schmelzzone seitlich in eine exzentrische Lage zur Stabachse verschobener Heizspule ausgeführt. Die Verschiebung der Heizspule findet ihre natürliche Grenze darin, daß die Heizsspule weder den Stab noch die Schmelzzone berühren darf. Auf diese Weise können gerade Stäbe nicht nur aus geraden einkristallinen oder polykristallinen Stäben hergestellt, sondern auch verformte Stäbe nachträglich begradigt werden. Femer kann nach dem neuen Verfahren eine gleichmäßigere Verteilung von dotierenden oder Rekombinationszentren bildenden Verunreinigungen in den Halbleiterstäben erreicht werden als mit koaxialer Anordnung von Halbleiterstab und Heizspule. Schließlich kann die Ausbildungvon Kristallstörungen vermindert,oder sogar praktisch völligwith
Movement of the melting zone laterally in an eccentric position to the rod axis of the heating coil. The displacement of the heating coil finds its natural limit in the fact that the heating coil must not touch either the rod or the melting zone. In this way, straight rods can not only be produced from straight single-crystalline or polycrystalline rods, but also deformed rods can be straightened afterwards. Furthermore, according to the new method, a more uniform distribution of doping impurities or impurities that form recombination centers can be achieved in the semiconductor rods than with a coaxial arrangement of the semiconductor rod and heating coil. Ultimately, the formation of crystal disturbances can be reduced, or even practically entirely

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vermieden werden, insbesondere wenn der auskristallisierte Stabteil in der Nähe der Schmelzzone mit einer ihn umschließendenbe avoided, especially if the rod part crystallized out near the enamel zone with an encircling one

weiteren Heizeinrichtung zusätzlich beheizt wird, die vorteilhaft aus einem Strahlungsheizring besteht, dessen Temperatur etwa gleich der Schmelztemperatur des behandelten Materials ist.further heating device is additionally heated, which is advantageous consists of a radiant heating ring, the temperature of which is approximately equal to the melting temperature of the treated material.

Die Bewegungsgeschwindigkeiten der Halterungen und der Heizspule können so aufeinander abgestimmt werden, daß der Durchmesser des aus der Schmelze wieder erstarrten Stabteiles einen vorbestimmten, gegebenenfalls über den Innendurchmesser der Heizeinrichtung hinaus vergrößerten Wert hat. Auch der Durchmesser des der Schmelze zugeführten Stabteils, des sogenannten Vorratsstabes, kann größer als die lichte Weite der Heizspule gewählt werden, so daß die Schmelzzone in der Nähe der Spule eingeschnürt wird und infolgedessen die Schmelzzone gegen Abtropfen besonders stabil ist. Der aus der Schmelze wiedererstarrende Stabteil kann wahlweise oberhalb oder unterhalb der Heizeinrichtung und konzentrisch oder exzentrisch zu dem der Schmelze zugeführten Stabteil angeordnet werden.The speeds of movement of the brackets and the heating coil can be coordinated so that the diameter of the rod part solidified again from the melt has a predetermined, possibly over the inner diameter of the Heating device also has increased value. Also the diameter of the rod part fed to the melt, the so-called Supply rod, can be selected larger than the inside width of the heating coil, so that the melting zone in the vicinity of the coil is constricted and as a result the melt zone is particularly stable against dripping. The one who solidifies again from the melt Rod part can optionally above or below the heating device and concentric or eccentric to that of the Melt supplied rod part are arranged.

Gegebenenfalls kann die Heizeinrichtung schon vor dem Anschmelzen deo Keimkristalls seitlich verschoben werden, beispielsweise bis zu einer Exzentrizität von 5 mm bei Verwenden einer Induktionsheizspule mit einer lichten Weite zwischen 15 und 40 mm. Diese Exzentrizität kann dann während des ganzen Zonenschmelzprozesses beibehalten werden. Zum Beispiel wurde zum Herstellen eines Siliziumstabes von 44 mm Durchmesser aus einem konzentrisch zu diesem gehalterten Vorrates tab von 27 mm Durchmesser die Heiz-If necessary, the heating device can be used even before melting deo seed crystal can be shifted laterally, for example up to an eccentricity of 5 mm when using an induction heating coil with a clear width between 15 and 40 mm. These Eccentricity can then be maintained throughout the zone melting process. For example, to make a Silicon rod of 44 mm diameter from a concentric to this held supply tab of 27 mm diameter the heating

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spule, die als Flachspule mit einer lichten Weite von 31 mm und einem Außendurchmesser von 56 mm ausgebildet war, um 3 mm seitlich verschoben, bzw. von vornherein exzentrisch eingebaut.coil, which was designed as a flat coil with a clear width of 31 mm and an outer diameter of 56 mm, to 3 mm laterally shifted or installed eccentrically from the start.

Anhand von Ausführungsbeispielen,die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind, soll die Erfindung näher erläutert werden.Using exemplary embodiments that are shown schematically in the drawing are shown, the invention will be explained in more detail.

Die Fig. 1 und 2 zeigen verschiedene Phasen des neuen Verfahrens mit Ziehrichtung von unten nach oben.FIGS. 1 and 2 show different phases of the new process with the drawing direction from bottom to top.

Die Fig. 3 bis 6 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel mit umgekehrter Ziehrichtung.3 to 6 illustrate an embodiment with reverse direction of drawing.

Nach Fig. 1 wird in einem Siliziumstab 2, der einen Durchmesser Ω., hat und an dessen unterem Ende ein Keimkristall 3 mit einem Durchmesser D_Q entsprechend einem Querschnitt, der 1/10 des Stabquerschnitts oder weniger betragen möge, angeschmolzen"ist, mit Hilfe einer mit Hochfrequenzstrom gespeisten Induktionsheizspule 4 eine Schmelzzone 5 erzeugt, die durch Aufwärtsbewegen der Heizspule 4 oder bei ruhender Heizspule 4 durch Abwärtsbewegen der Halterungen des Stabes 2 durch diesen der Länge nach hindurchgeführt werden kann. Der Keimkristall 3 sei ein Einkristall, der zum Einkristallzüchten, dient. Er und mit ihm der wiedererstarrte Stabteil 2a werden um ihre lotrechte Achse gedreht. Die Sckmelzzone befindet sich im Zeitpunkt entsprechend Fig. 1 am Übergang vom dünnen Keimkristall zu einer größeren Stabdicke. Die darauffolgenden Verfanrenemaßnahmen sind durch Pfeile angedeutet. Die Heizspule 4 wird mit Bezug auf den ruhend angenommenen Stab 2 nicht nur nach oben, sondern gleichzeitigAccording to FIG. 1, a seed crystal 3 with a diameter D _Q corresponding to a cross section which may be 1/10 of the rod cross section or less is melted in a silicon rod 2, which has a diameter Ω With the aid of an induction heating coil 4 fed with high-frequency current, a melting zone 5 is generated which can be passed lengthwise through the rod 2 by moving the heating coil 4 upwards or, when the heating coil 4 is at rest, by moving the holders of the rod 2 downwards. It and with it the re-solidified rod part 2a are rotated about their vertical axis . The melt zone is at the point in time according to FIG. 1 at the transition from the thin seed crystal to a larger rod thickness With respect to the rod 2, which is assumed to be at rest, not only upwards, but at the same time

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seitwärts, z.B. im Bild nach links bewegt, so daß die Schmelzzone 5 infolge der magnetischen Kräfte auch nach links gedrückt wird. In Pig. 2 ist diese Phase dargestellt, in der gemäß Annahme der Solldurchmesser Dp des auskristallisierenden Stabteiles erreicht sein möge. Von nun an wird die Heizspule 4 relativ zum Stab 2 nur noch nach oben bewegt. Wenn wie hier der auskristallisierende Stabteil 2a dicker als der Vorratsstab 2b werden soll, wird die Halterung des letzteren ständig mit entsprechender Geschwindigkeit in axialer Richtung der Schmelzzone genähert.moved sideways, e.g. to the left in the picture, so that the melting zone 5 is also pushed to the left due to the magnetic forces. In Pig. 2 this phase is shown in which according to Assumption of the nominal diameter Dp of the crystallizing rod part may be achieved. From now on, the heating coil 4 is only moved upwards relative to the rod 2. If like here the crystallizing rod part 2a is to be thicker than the supply rod 2b, the support of the latter is constantly corresponding Speed in the axial direction of the melting zone approximated.

Zur gleichmäßigeren Verteilung von dotierenden oder/und Rekombinationszentren bildenden Verunreinigungen über den Stabquerschnitt kann die Heizspule im Verlauf des Zonenschmelzverfahrens wieder in eine Lage mit kleinerer Exzentrizität oder in ihre Lage koaxial zum Stab zurückbewegt oder ständig zwischen dieser Lage und Lagen mit vorgegebener Exzentrizität bzw. zwischen Lagen mit vorgegebener größter und kleinster Exzentrizität hin- und herbewegt werden. Vorteilhaft ist die Geschwindigkeit der Hin- und Herbewegung groß gegen die Geschwindigkeit, mit der die Schmelzzone durch den Stab hindurchgezogen wird. Beispielsweise kann mit einer Ziehgeschwindigkeit von 2 mm/min eine Spulenbewegung von 9 Wechseln je Minute zwischen größter und kleinster Exzentrizität gekoppelt werden. Beträgt dabei die Umlaufgeschwindigkeit des auskristallisierten Stabteils 20 U/min, so durchwandert die Lage der größten Exzentrizität nacheinander verschieden! For a more uniform distribution of impurities that form doping and / or recombination centers over the rod cross-section, the heating coil can be moved back into a position with smaller eccentricity or into its position coaxially to the rod or constantly between this position and positions with a predetermined eccentricity or between layers be moved back and forth with a predetermined maximum and minimum eccentricity. Advantageously, the speed of the to-and-fro movement is great compared to the speed at which the melting zone is pulled through the rod. For example, a reel movement of 9 changes per minute between the largest and smallest eccentricity can be coupled with a pulling speed of 2 mm / min. If the rotational speed of the crystallized rod part is 20 rpm, the position of the greatest eccentricity moves through differently one after the other!

Winkellagen des auskriatallislerten Stabteils undAngular positions of the criatallized rod part and

trifft jeweils erst beim 9* Mal wieder auf die gleiche Winkel-only meets the same angle again at the 9 * time

lage des letzteren.location of the latter.

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Wird der Hin- und Herbewegung der Heizspule beispielsweise mit Hilfe eines Exzenterantriebes ein annähernd sinusförmiger zeitlicher Verlauf aufgezwungen, so werden Erschütterungen der Zonenschmelzanlage weitgehend vermieden. Noch besser kann man das dadurch erreichen, daß man die Heizspule eine kreisende Bewegung um eine außerhalb der Achse des auskristallisierten Stabteils liegende und zu dieser parallele Achse mit konstanter Umfangsgeschwindigkeit auf der von jedem Punkt der Spule beschriebenen Kreisbahn ausführen läßt. Das kann beispielsweise durch eine Parallelführung mit Hilfe eines zweiten Exzenters mit gleich großer Exzentrizität, gleicher Umlaufgeschwindigkeit wie der Antriebsexzenter und mit diesem übereinstimmender Winkellage erreicht werden.For example, with the back and forth movement of the heating coil With the help of an eccentric drive, an approximately sinusoidal course of time is imposed, so the vibrations of the Zone melting plant largely avoided. This can be achieved even better by rotating the heating coil Movement about an axis lying outside the axis of the crystallized rod part and parallel to this with a constant axis Can run circumferential speed on the circular path described by each point on the coil. For example by means of a parallel guide with the aid of a second eccentric with the same eccentricity and the same rotational speed how the drive eccentric and the angular position that corresponds to it can be achieved.

In den Fig. 3 bis 6 sind entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen wie in den Pig. 1 und 2. Ebenso sind die auf die dargestellten Phasen folgenden Bewegungsrichtungen durch Pfeile angedeutet. Beispielsweise hat der der Schmelze zugeführte Stabteil einen Durchmesser von 26 mm und der auskristallisierte Stabteil einen Durchmesser von 33 mm. Ihre Achsen seien parallel, aber .um 55 mm gegeneinander versetzt. Zu Beginn des Zonenschmelzen sei eine Heizspule 4 mit einem Innendurchmesser von 30 mm und einem Außendurchmesaer von 55 am so angeordnet, daß ihre Achse in einer Ebene mit den Aohsen der beiden Stabteile liegt und ihre Exzentrizität gegenüber beiden Stabteilen gleich groß ist, also etwa je 2,5 na beträgt. Bis zum Erreichen des Solldurchmeeeers des auskristallisierenden ' Stabteila 2a wird, wie aus Pig. 3 zu ersehen, die Reisepule 4 In FIGS. 3 to 6, corresponding parts are provided with the same reference numerals as in the Pig. 1 and 2. The directions of movement following the phases shown are also indicated by arrows. For example, the rod part fed to the melt has a diameter of 26 mm and the rod part which has crystallized out has a diameter of 33 mm. Their axes are parallel, but offset by 55 mm from one another. At the beginning of the zone melting, a heating coil 4 with an inner diameter of 30 mm and an outer diameter of 55 am is arranged so that its axis lies in one plane with the Aohsen of the two rod parts and its eccentricity is the same with respect to both rod parts, i.e. about 2 each .5 is na. Until the target diameter of the crystallizing 'rod part 2a is reached, like Pig. 3, the travel coil 4

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allmählich seitlich verschoben, beispielsweise bis zu einer Exzentrizität von 7 mm gegenüber dem Stabteil 2a und von 2 mm gegenüber dem Stabteil 2b. Es ist auch möglich, das Anschmelzen des Keimkristalls zunächst mit koaxialer Anordnung der beiden Stabteile und der Heizspule durchzuführen und anschließend die beschriebene Exzentrizität in der Zeit bis zum Erreichen des Solldurchmessers des auskristallisierenden Stabteiles durch kontinuierliches Verschieben der Heizspule 4 und.eines oder beider Stabteile herzustellen. Fig. 4 entspricht einem Zeitpunkt, in welchem der Solldurchmesser und zugleich die äußerste Grenze der seitlichen Verschiebung der Heizspule 4 erreicht sind. ™gradually shifted laterally, for example up to an eccentricity of 7 mm with respect to the rod part 2a and of 2 mm opposite the rod part 2b. It is also possible to start melting the seed crystal first with a coaxial arrangement of the two Rod parts and the heating coil to carry out and then the described eccentricity in the time to reach the Target diameter of the crystallizing rod part by continuously moving the heating coil 4 und.eines or produce both rod parts. Fig. 4 corresponds to a point in time at which the nominal diameter and at the same time the outermost The limit of the lateral displacement of the heating coil 4 has been reached. ™

Von diesem Zeitpunkt an werde die Heizspule 4 seitlich um 4 mm hin- und" herbewegt. Die Fig. 4 und 5 entsprechen den beiden Umkehrpunkten. Im Falle einer zwischen den gleichen Grenzlagen ausgeführten kreisenden Bewegung der Heizspule 4 umschließt die von der Spulenmitte beschriebene Kreisbahn, wie man sieht, nicht die Achse des auskristallisierten Stabes 2a.From this point on, the heating coil 4 is moved to and fro laterally by 4 mm. FIGS. 4 and 5 correspond to the two Reversal points. In the case of one between the same border locations The circular movement of the heating coil 4 carried out does not enclose the circular path described by the center of the coil, as can be seen the axis of the crystallized rod 2a.

Mit dem beschriebenen Verfahren wurden gerade Halbleiterstäbe t hergestellt, deren spezifischer Widerstand, über den Stabquerschnitt gemessen, maximale Abweichungen von weniger als 10 # hatte und die eine Etch-pit-Dichte von weniger als 50.000 proWith the method described, semiconductor rods t were produced whose specific resistance, measured over the rod cross-section, had maximum deviations of less than 10 # and which had an etch pit density of less than 50,000 per

ρ
cm aufwiesen.ρ
cm.

Die beschriebenen und die dargestellten Arbeitsvorgänge sind, soweit nicht vorbekannt, im einzelnen, ebenso wie ihre hier erstmals offenbarten Kombinationen untereinander als wertvolle erfinderische Verbesserungen anzusehen.The work processes described and illustrated are, if not previously known, in detail, as are yours here to be seen for the first time disclosed combinations with one another as valuable inventive improvements.

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Claims

1519394 claims

1. A method for crucible-free zone melting of a crystalline rod, in particular a semiconductor rod, which together with a at one of its two ends attached seed crystal is clamped vertically between two rod holders and in the means an induction heating coil that surrounds its axis and is fed with alternating current creates a melting zone, which separates the rod into two parts and through relative movement of the coil and rod in the axial direction of the latter through the latter is moved lengthways from the seed crystal to the other end, so that in each case a rod part is fed to the melt and a second rod part crystallized from the melt, characterized in that at least part of the longitudinal movement'der Melting zone is executed with the heating coil shifted laterally into an eccentric position to the rod axis.

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2. The method according to claim 1, characterized in that a Seed crystal, the cross section of which is smaller than the cross section of the rod to be treated, preferably less than one tenth of which is fused to one of the two rod ends and the rod holders during the subsequent longitudinal movement of the melting zone are moved against one another in such a way that the rod part which crystallizes out begins at the melting point of the seed crystal, steadily thickened up to a predetermined target diameter and then this target diameter is maintained.

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3. Method according to claim 2, characterized in that the seed crystal with the concentrically arranged heating coil and then the heating coil in the time until the Sο11diameter of the from the melt again crystallizing rod part is reached, is shifted laterally.

4. The method according to claim 2, characterized in that the heating coil is shifted laterally before the seed crystal melts.

5. The method according to claim 1, characterized in that the heating I coil after reaching the target diameter in a periodic movement between two limit positions of their eccentricity will.

6. The method according to claim 5 »characterized in that the heating coil is set in a circular motion about an axis lying outside the axis of the crystallized rod part and parallel to this axis. ,

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heisepule «it einer Geschwindigkeit, die groß gegen die Ziehgeschwindigkeit lot, bewegt wird.7. The method according to claim 5, characterized in that the Heisepule «it is moved at a speed which is great compared to the drawing speed.

8* Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei gegeneinander yeraetzt angeordneten Achsen der beiden Stabteile der Abstand άήτ Heizspulenechee von der Achse des »«kristallisierten Stabteil· gröSer und von der Achs· dee augeführten Stabteile kleiner als der gegenseitige Abstand der Aohstn der beiden Stabteile gewählt wird.Method according to claim 1, characterized in that, with the axes of the two rod parts arranged in a mutually offset manner, the distance between the heating coil cheeks and the axis of the "" crystallized rod part is larger and the rod parts extending from the axis are smaller than the mutual distance between the branches of the two Member parts is selected.

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