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Anordnung zur Wärmebehandlung von Halbleiterkörpern
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Wärmebehandlung von Halbleiterkörpern, welche beispielsweise aus Silizium, Germanium, AIIIBV-Verbindungen od. dgl. bestehen.
Es sind verschiedene Verfahren zur Wärmebehandlung von Halbleitermaterial, beispielsweise zur
Herstellung von Einkristallen, vorgeschlagen worden. Ein solches Verfahren ist beispielsweise das Ziehen in Tiegeln aus einer Schmelze unter Verwendung von Keimkristallen. Es sind auch Verfahren bekannt, beispielsweise das Zonenschmelzen, bei denen unter anderem mit oder auch ohne Anwendung eines Tiegels die Umwandlung einer polykristallinen Halbleitersubstanz zu einem einkristallinen Körper durchgeführt werden kann. Verfahren, bei denen die Einkristallbildung in einem Tiegel vorgenommen wird, sind nachteilig, weil Verunreinigungsstoffe aus dem Tiegelmaterial in die Schmelze gelangen können.
Anderseits macht es sich bei Anwendung des tiegellosen Zonenziehverfahrens in vielen Fällen unerwünscht bemerkbar, dass nicht der ganze Halbleiterkörper gleichmässig bzw. gleichzeitig erhitzt werden kann.
Dies kann unter Umständen zu Wachstumsstörungen innerhalb des Kristalles führen ; ausserdem nimmt die Einkristallbildung eine erhebliche Zeitdauer in Anspruch.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung, mit deren Hilfe die Temperung oder sonstige Wärmebehandlung, z. B. zur Ausbildung von einkristallinen Körpern so durchgeführt wird, dass der ganze Halbleiterkörper gleichmässig auf Temperaturen, die unterhalb seines Schmelzpunktes, gegebenenfalls auch darüber liegen können, erhitzt werden kann. Nach den bisher bekannt gewordenen Verfahren ist dies nicht möglich, weil der Halbleiterkörper bei den hohen Temperaturen duktil wird und sich daher auf Grund des Eigengewichtes verformt, z. B. verbiegt, abtropft oder abreisst.
Um dies zu vermeiden, ist bei einer Anordnung zur Wärmebehandlung von Halbleiterkörpern, insbesondere von Halbleiterkörpern stabförmiger Gestalt, ein Magnetfeld vorgesehen, welches mindestens eine teilweise Gewichtsbefreiung des erhitzten Halbleiterkörpers, gegebenenfalls unter Mitwirkung eines den Halbleiterkörper durchfliessenden elektrischen Stromes, bewirkt, wobei gemäss der Erfindung das Magnetfeld in vertikaler Richtung inhomogen sein soll. Vorzugsweise soll dabei seine Feldstärke in Richtung der Schwerkraft zunehmen.
In der Metalltechnik ist bekannt, lange Arbeitsstücke aus Stahl von verhältnismässig kleinem Querschnitt während einer Wärmebehandlung durch ein Magnetfeld zu stützen und so ein Durchhängen zu vermeiden, wenn die übliche Unterstutzungsart durch mechanische Mittel nicht angewendet werden kann. Es ist auch bekannt, beim Schweissen solcher Gegenstände das durch den elektrischen Strom zur Erwärmung des Schweissgutes erzeugte magnetische Feld zugleichzum mechanischen Stützendesschweissgutes zu benutzen.
Die vorliegende Erfindung verwendet also das aus der Metalltechnik bereits bekannte Prinzip und gibt die Lehre, dass das die Stützwirkung hervorrufende Magnetfeld in vertikaler Richtung inhomogen sein soll.
Die Wirkungsweise dieser Massnahme soll an Hand der Fig. l dargelegt werden, die einen Querschnitt durch die wesentlichen Teile einer besonders einfachen Anordnung nach der Erfindung zeigt. Der stabförmige Halbleiterkörper 3 befindet sich in einem durch zwei entgegengesetzte Magnetpole 1 und 2 erzeugten inhomogenen Feld, dessen Kraftliniendichte beim Fortschreiten in Richtung der Schwerkraft zunimmt. Infolge dieser Eingenschaft ist das Magnetfeld im Stande, auf einen diamagnetischen Halbleiterkörper, z. B.
Silizium oder Germanium, eine nach oben gerichtete Kraft auszuüben, da ein diamagnetischer Körper in inhomogenen Magnetfeldern aus dem Gebiete höherer Feldstärke herausgedrückt wird, um so eine teil-
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weise Gewichtsbefreiung des Halbleiterkörpers zu bewirken. Wenn also der sich senkrecht zur Zeichen- ebene erstreckende Stab 3 an beiden Enden gehaltert ist, kann auf diese einfache Weise einer Durch- biegung des Stabes bei der Wärmebehandlung entgegengearbeitet werden. Ähnlich liegen die Verhältnis- se bei einem Stab aus paramagnetischem Material, wobei auf die Tatsache Rücksicht genommen werden ! muss, dass paramagnetische Stoffe in inhomogenen Feldern in das Gebiet höherer Feldstärke hineinge - zogen werden.
Um eine stärkere Stützwirkung des Magnetfeldes zu erreichen, ist es jedoch erforderlich, den Stab 3 von einem elektrischen Strom durchfliessen zu lassen. Wenn beispielsweise ein Gleichstrom den in Fig. 1 dargestellten Halbleiterstab 3 durchfliesst und seine Flussrichtung dabei senkrecht zur Zeichenebene vom Betrachter fortgerichtet ist, so wirkt auf den Strom und damit infolge Reibung der Leitungselektronen auf das Stabmaterial eine bei der gezeichneten Orientierung des Magnetfeldes nach oben, also entgegen der
Schwerkraft gerichtete Kraft P, die nach dem Biot-Savart'schen Gesetz
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beträgt, wenn B die magnetische Induktion am Ort des Stabes und I die Stärke des im Halbleiterstab flie- ssenden Stromes ist.
In dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel wird also die Biot-Savart'sche Kraft P bei konstantem Stromdurchfluss umso stärker sein, je grösser beispielsweise die Durchbiegung des Halbleitersta-
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dagegen nicht der Fall. Nachdem der Strom I im Halbleiterstab 3 und das Magnetfeld vorzugsweise so eingestellt ist, dass bei gestreckter Lage des Stabes ein Maximum an Gewichtsbefreiung gewährleistet ist, ist bei Anwendung eines inhomogenen Feldes etwa nach Art des in Fig. 1 gezeigten Beispiels eine erhöhte
Sicherheit gegen Durchbiegung und andere durch die Schwerkraft bewirkte Veränderungen gegeben.
Es ist auch möglich, die Biot-Savart'sche Kraft P durch Regelung des Stromes I durch den Halblei- terstab 3 und die Feldstärke des Magnetfeldes so einzustellen, dass diese das Gewicht des Körpers voll- ständig kompensiert. Der Halbleiterkörper würde dann bei Abwesenheit der Halterung im Magnetfeld schweben. Um diesen"gewichtslosen"Zustand aufrecht zu erhalten, muss die Biot-Savart'sche Kraft P konstant gehalten werden. Dies kann beispielsweise durch Anwendung eines dem Magnetfeld ausgesetzten Hall-Generators erreicht werden, der von dem Strom I durchflossen wird und der an seinen zum Strom und Magnetfeld senkrechten Flächen eine Hall-Spannung abgibt, die dem Produkt aus dem Strom I und der Induktion B des auf ihn einwirkenden Magnetfeldes proportional ist.
Bei Änderungen der BiotSavart'schen Kraft P ändert sich auch die Hall-Spannung. Sie kann also zum Ausgleich dieser Änderungen, also zur Konstanthaltung des Produktes I-B unter Verwendung von auf die Stärke des Magnetfeldes und/ oder des Stromes I einwirkenden Regelorganen dienen.
In der Fig. 2 ist eine Anordnung gemäss der Erfindung im Längsschnitt gezeigt. Der Halbleiterkörper 4, der in der Figur die Form eines langgestreckten waagrecht angeordneten Stabes hat, wird an seinen Enden durch die Anschlüsse 2 und 3 gehaltert. Die Anschlüsse 2 und 3 sind ausserdem als Kontakte für einen durch den Halbleiterkörper fliessenden Strom vorgesehen. 1 stellt ein Rohr dar, das den Halbleiterkörper umgibt und entweder evakuiert ist oder eine Schutzgasatmosphäre, beispielsweise aus Wasserstoff enthält.
Die Punkte bezeichnen das inhomogene Magnetfeld 5, dessen Stärke der Dichte der gezeichneten Punkte entsprechend nach unten hin zunimmt und dessen Richtung in der Anordnung gemäss der Fig. 2 senkrecht zur Zeichenebene, u. zw. auf den Beschauer hin gerichtet sein soll, damit die BiotSavart'sche Kraft P auf den stromdurchflossenen Halbleiterstab 4 der Schwerkraft entgegengesetzt gerichtet, also nach oben gerichtet ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes so angeordnet sind, dass dieses gleichmässig längs der Achse des Halbleiterstabes zur Wirkung kommen kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgedankens besteht darin, dass ein inhomogenes magnetisches Wechselfeld und ein durch den Halbleiter fliessender Wechselstrom vorgesehen sind, die vorzugsweise die gleiche Frequenz haben, deren Phase jedoch mittels bekannter Vorrichtungen in gewünschter Weise gegeneinander verschoben werden kann. Durch die Phasendrehung lassen sich die Tragkraft gemäss dem Biot-Savart'schen Gesetz und/oder die zur Erwärmung notwendige Energie ganz nach Bedarf regeln.
Hat der stromdurchflossene Halbleiterkörper gemäss des Temperungsverfahrens eine gewünschte verhältnismässig hohe Temperatur erreicht, so muss bei Betrieb mit Gleichstrom die Stromstärke so nachgeregelt werden, dass der Halbleiterstab auf konstanter Temperatur bleibt. Es stellt sich dann ein stationärer Zustand zwischen der Energieabgabe durch Strahlung und/oder Wärmekonvektion einerseits und der Energiezuführung durch den Strom anderseits, ein.
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Halbleiterkörpers noch einen Wechselstrom vorsieht. Die Frequenz des Wechselstromes soll mindestens so 1 gross gewählt werden, dass die durch den Wechselstrom im Magnetfeld hervorgerufenen Kräfte keine stö- rende Bewegung des Halbleiterkörpers mit bei jeder Periode wechselnden Richtung hervorrufen können.
Es kann beispielsweise ein niederfrequenter Wechselstrom von 50 Hz zum Betrieb verwendet werden, aber ebenso auch ein hochfrequenter Wechselstrom. Je nach Energiebedarf kann für die Erhitzung des Halblei- ters dann die Wechselstromquelle zweckentsprechend geregelt werden, ohne dass ein störender Einfluss auf ) die Kraft ausgeübt wird, die gemäss dem Biot-5avart'schen Gesetz durch Zusammenwirken des inhomo- genen Magnetfeldes und des Gleichstromes am Halbleiterkörper angreift.
Die Anschlüsse des Halbleiterkörpers und/oder seine Enden selbst können in bekannter Weise gekühlt werden, besonders um das Eindiffundieren von Fremdstoffen zu verhindern.
Es ist vorteilhaft, wenn die vorgesehene Schutzgasatmosphäre mit Stoffen versehen wird, die eine i gewünschte Dotierung des Halbleiterkörpers bezüglich des Leistungstypus und/oder der Lebensdauer der Ladungsträger bewirken.
In manchen Fällen ist es zweckmässig, die an die Temperung sich anschliessende Abkühlung des
Halbleiterkörpers sehr langsam und kontinuierlich durchzuführen, damit beispielsweise innerhalb des Kri- stalles keine grossen Spannungen auftreten, die zu einer Zerstörung bzw. Fehlerhaftigkeit des Einkristall- gefüges führen könnten. Die Anschlüsse des Halbleiters können auch so ausgebildet sein, dass der Halblei- terkörper während des Temperungsverfahrens rotiert. Da der Halbleiterkörper im kalten Zustand einen sehr hohen Widerstand aufweist, muss zur Erwärmung eine hohe Spannung angelegt werden. Man verwen- det darin vorteilhaft einen hochfrequenten Wechselstrom.
Bei hinreichender Erwärmung ist die Leitfähig - keit dann gross genug geworden, dass mit gutem Nutzeffekt weiter mit niederfrequentem Wechselstrom geheizt werden kann. Die kontinuierliche Herabsetzung der Spanung im hochfrequenten und niederfre- quenten Bereich kann z. B. durch eine Regeleinrichtung oder durch Regelung von Hand erfolgen. Auch ist das Verfahren nicht auf die Verwendung einer elektrischen Stromheizung beschränkt, sondern es kann auch eine elektromagnetische Strahlungsheizung und/oder eine Korpuskularstrahlheizung zur Erwärmung des Halbleiterkörpers verwendet sein.
Eine Anordnung gemäss der Erfindung lässt sich besonders vorteilhaft auch in solchen Fällen verwen- den, in denen anschliessend eine mechanische Behandlung im erhitzten Zustand, insbesondere eine W r- meverformung, des Materials vorgesehen ist. So kann sich beispielsweise an die Temperung eine Aus- schmiedung des Materials anschliessen, wie sie in der Halbleitertechnologie zur Herstellung von Halblei- teranordnungen Verwendung findet.
Die Anordnung gemäss der Erfindung gestattet, die Erhitzung bzw. Temperung von Halbleitersub- stanzen in einfacher Weise nach einem tiegellosen Verfahren durchzuführen, wobei eine maximale Si- cherheit gegen Durchhängung, Abtropfen usw. des Halbleitermaterials gegeben ist. Es lässt sich auf die- sem Wege im allgemeinen sogar Einkristallbildung aus polykristallinem Halbleitermaterial erreichen. Auch ist eine gewünschte Dotierung oder mechanische Wärmebehandlung des Halbleiterkörpers auf einfachem
Wege durchzuführen. Die Anwendung des Erfindungsgedankens ist aber nicht auf die Verwendung von
Halbleitermaterial beschränkt, sondern kann auch bei andern leitenden Substanzen oder bei ferromagne- tischem Material angewandt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Wärmebehandlung von Halbleiterkörpern, insbesondere von Halbleiterkörpern stab- förmiger Gestalt, bei der ein Magnetfeld vorgesehen ist, welches mindestens eine teilweise Gewichtsbe- freiung des erhitzten Halbleiterkörpers, gegebenenfalls unter Mitwirkung eines den Halbleiterkörper durchfliessenden elektrischen Stromes, bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld in vertika- ler Richtung inhomogen ist.