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Verfahren zum tiegellosen Zonenziehen von Halbleitermaterial
Das tiegellose Zonenziehen von Halbleitermaterial, bei dem ein Halbleiterstab, insbesondere ein aus hochreinem Silizium bestehender Stab, an seinen Enden gehaltert ist und eine mittels induktiver Erhitzung durch eine Hochfrequenzspule erzeugte Schmelzzone zwischen den beiden gehalterten Enden des Stabes in Richtung der Stabachse entlanggeführt wird, ist bereits durch das Verfahren von C. Theurer bekannt.
Es wird zur Reinigung von Halbleitermaterial und bzw. oder zur Herstellung eines einkristallinen Halbleiterstabes angewendet.
Die Erfindung schlägt ein Verfahren vor, welches es ermöglicht, beim tiegellosen Zonenziehen einen einkristallinen Halbleiterstab definierter, d. h. in einem gewünschten Bereich gleichbleibender Dicke herzustellen. Es ist das wesentliche Merkmal des Verfahrens gemäss der Erfindung, dass durch den von einer Hochfrequenzstromquelle in eine die Schmelzzone des Halbleiterstabes umgebende Spule eingespeisten Strom, der sich bei sich ändernder Dicke des Stabes ebenfalls ändert, eine Einrichtung gesteuert wird, die die beiden Halterungen des Halbleiterstabes einander nähert bzw. voneinander entfernt, bis der Strom in der Hochfrequenzenspule wieder den gewünschten Wert hat.
Beim Verfahren gemäss der Erfindung ist es zweckmässig, dass die Schmelzzone von der sehr kurzen, im wesentlichen nur die Schmelzzone umfassenden Hochfrequenzspule erzeugt wird und die durch Änderung der Dicke des Stabes entstehende Änderung des das Schmelzen bewirkenden Hochfrequenzstromes zur Steuerung der den Abstand der Halterungen regelnden Einrichtungen verwendet wird.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird durch Eintauchen bzw. Herausziehen eines Metallkörpers die Induktivität einer zweiten Spule, die mit der Hochfrequenzspule, die den Halbleiterstab umgibt, in Reihe geschaltet ist und damit die Dicke des Halbleiterstabes während des Ziehens verändert.
Es ist zweckmässig, aber nicht unbedingt notwendig, dass die zur Steuerung der Dicke des Halbleiterstabes verwendete Hochfrequenzspule gleichzeitig die Schmelzzone aufheizt. Gegebenenfalls kann für die Dickenregelung auch eine eigene Spule, die von einem gesonderten Hochfrequenzgenerator gespeist wird, vorgesehen sein.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch den Vorgang der Dickenregelung, Fig. 2 ein Leistungsdiagramm und Fig. 3 ein Heizsystem.
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veranschaulicht. Im Ausführungsbeispiel dient die Hochfrequenzspule 5 zugleich zur Aufheizung der Zone 4. Diese ganze Anordnung befindet sich in einem hier nicht gezeichneten Quarzrohr in einer Schutzgasatmosphäre. Um die Schmelzzone zu vergrössern, kann auch noch zusätzlich eine Stützfeldspule vorgesehen sein. Stützfeldspule und Hochfrequenzspule 5 sind so angeordnet, dass sie mit vorgegebener Geschwindigkeit am Stab entlanggeführt werden können. Wird die Schmelzzone z. B. in der durch den Pfeil 18 angedeuteten Richtung geführt, so wird erfindungsgemäss die Vorrichtung zum Stauchen und Strecken des Stabes während des Zonenziehens an dem mit 2 bezeichneten Ende des Halbleiterstabes angeordnet.
Allgemein ist sie immer an dem Ende des Stabes angeordnet, das zuletzt erstarrt, da dann die durch das Stauchen und Ziehen des Stabes gegebenenfalls auftretenden Fehler im Kristallgitter durch die nachfolgende Schmelzzone beseitigt werden können, so dass Stäbe mit guter Kristallperfektion erhalten werden.
Zur Kompensation des induktiven Blindwiderstandes der Spule 5 kann z. B. ein Kondensator 6 der Hochfrequenzspule parallel geschaltet werden. Das hat den Vorteil, dass der Hochfrequenzgenerator 7 nur den durch die Heizleistung sowie durch die ohm'schen Verluste von Spule 5 und Kondensator 6 bedingten Wirkstrom abgeben muss, der viel kleiner ist als der durch die Spule fliessende Blindstrom.
Der durch die Spule 5 und den Kondensator 6 gebildete Schwingkreis, der gegen den inneren Sendeschwingkreis des Generators verstimmt ist, ist kapazitiv oder induktiv an den Sendeschwingkreis angekoppelt. Dabei ist die Ankopplung so lose, dass auch bei einer durch die Dickenänderung des Halbleiterstabes bedingten weiteren Verstimmung des Heizkreises das System Generator-Heizkreis auf einer Frequenz schwingt.
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Durch den in der Spule 5 fliessenden Hochfrequenzstrom wird in dem von der Spule umgebenen Teil des Halbleiterstabes eine Spannung induziert, die einen Strom hervorruft, dessen Magnetfeld dem von der Spule erzeugten entgegenwirkt. Man kann diesen Teil des Halbleiterstabes also mit einer Spulenwindung vergleichen. Bekanntlich ist der Kopplungsfaktor solcher Spulenanordnungen eine Funktion der geometrischen Abmessungen der Spulen und dem Durchmesser der inneren Spule proportional.
Ändert sich deshalb während der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens die Dicke des Halbleiterstabes, so ändert sich auch der Kopplungsfaktor und damit der zwischen den Klemmen 12 und 13 gemessene Widerstand ZH des Heizkreises. Diese Belastungsänderung wirkt sich in einer Anodenstrom- änderung, die durch das Instrument 8 angezeigt wird, aus. Einer bestimmten Dicke des Stabes entspricht also ein ganz bestimmter Wert des Anodenstromes.
Der Widerstand 9 wird nun zu Beginn des erfindunggemässen Verfahrens so eingestellt, dass ein Anodenstrom, wie er der gewünschten Dicke entspricht, an diesem Widerstand einen Spannungsabfall hervorruft, der gleich der von der Batterie 10 abgegebenen Spannung ist, so dass das gepolte Relais 11 in Ruhestellung 15 liegt. Ändert sich nun im Verlauf des Verfahrens die Dicke des Halbleiterstabes und damit der Anodenstrom des Generators, so zieht das Relais an und schliesst, je nachdem, in welcher Richtung die Stromänderung erfolgt, den Kontakt 16 oder 17. Durch Schliessen eines dieser Kontakte wird durch einen Motor 21 über ein nicht gezeichnetes Getriebe das Zahnrad 19 entlang der Zahnstange 20 in Bewegung gesetzt und der Halbleiterstab abhängig von der Drehrichtung des Zahnrades gestreckt oder gestaucht.
In Fig. 2 ist die vom Generator abgegebene Leistung N in Abhängigkeit von dem Verhältnis von Belastungswiderstand ZH zum Ausgangswiderstand des Senders Zs dargestellt. Die abgegebene Leistung ist bekanntlich bei Anpassung, d. h. ZH = Zs, am grössten. Bei dem durch die Erfindung vorgeschlagenen
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stabes, die durch die Regelung beibehalten werden soll, die vom Generator abgegebene Leistung etwa der im Punkt A entspricht, also im steigenden Ast der Kurve gearbeitet wird. Aus dem bereits weiter oben Ausgeführten ergibt sich, dass für einen dünner werdenden Stab der Kopplungsfaktor kleiner, d. h. die Kopplung zwischen der Hochfrequenzspule und dem durch eine Spulenwindung versinnbildlichten Teil des Halbleiterstabes loser wird und damit ZH grösser.
Aus dem Diagramm der Fig. 2 kann man entnehmen, dass die Anpassung dann besser wird, d. h. die abgegebene Leistung und deshalb auch der Anodenstrom ansteigt. Wird umgekehrt der Halbleiterstab dicker, also die Kopplung fester, so wird ZH kleiner und der Anodenstrom ebenfalls.
Der Belastungswiderstand ZH kann auch so gewählt werden, dass im abfallenden Kurvenast, also etwa im Punkt B gearbeitet wird, d. h. dass bei dünner werdendem Stab, also anwachsendem ZH, die vom Generator abgegebene Leistung N und damit der Anodenstrom kleiner wird. Um zu erreichen, dass die Dickenregelung in der gewünschten Richtung erfolgt, muss dann das Relais 11 gegenüber dem Verfahren, bei dem der Arbeitspunkt im steigenden Kurvenast, also etwa bei A liegt, gerade umgekehrt gepolt werden.
Liegt der Arbeitspunkt im steigenden Kurvenast, so steigt bei dünner werdendem Stab der durch das Instrument 8 angezeigte Anodenstrom an. Das Relais 11 muss so gepolt sein, dass es z. B. den Kontakt 16 schliesst, wodurch eine Drehung des Motors 21 bedingt ist, die das Zahnrad 19 in Richtung des Pfeiles 22 bewegt, so dass der Halbleiterstab gestaucht wird, d. h. dass sich die beiden Enden 2 und 3 einander nähern, u. zw. so lange, bis der Anodenstrom wieder den gewünschten Wert hat und das Relais 11 wieder in die Ruhestellung 15 abfällt.
Bei dicker werdendem Stab wird der Anodenstrom kleiner, das Relais 11 schliesst z. B. den Kontakt 17, wodurch der Motor 21 das Zahnrad in Richtung des Pfeiles 23 in Drehung versetzt, so dass der Halbleiterstab so lange gestreckt wird, bis der Anodenstrom sich wieder auf den gewünschten Wert einstellt und somit das Relais 11 abfällt.
Um bei diesem erfindungsgemässen Verfahren die Dicke des Halbleiterstabes während des Ziehens zu verändern, wird z. B. zwischen die Klemmen 12 und 13 das in Fig. 3 dargestellte Heizsystem geschaltet.
Zusätzlich zur Hochfrequenzspule 24, die den Halbleiterstab 1 umgibt, ist eine zweite Spule 25 in Reihe geschaltet. Der Blindwiderstand dieser beiden Spulen kann z. B. wieder durch einen Kondensator 26 kompensiert werden. Beispielsweise durch Eintauchen bzw. Herausziehen eines Metallkörpers 27 kann die Induktivität der Spule 25 verändert werden und damit der zwischen den Klemmen 12 und 13 wirksame Belastungswiderstand des Systems, d. h. der Anodenstrom bzw. die Dicke des Halbleiterstabes.
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Process for crucible-free zone pulling of semiconductor material
The crucible-free zoning of semiconductor material, in which a semiconductor rod, in particular a rod made of high-purity silicon, is held at its ends and a melting zone generated by means of inductive heating by a high-frequency coil is guided between the two held ends of the rod in the direction of the rod axis, is already possible known by the method of C. Theurer.
It is used for cleaning semiconductor material and / or for producing a single-crystal semiconductor rod.
The invention proposes a method which enables a monocrystalline semiconductor rod to be more defined, ie. H. produce in a desired range of constant thickness. It is the essential feature of the method according to the invention that the current fed by a high-frequency current source into a coil surrounding the melting zone of the semiconductor rod, which also changes when the thickness of the rod changes, controls a device that controls the two holders of the semiconductor rod approaches or moves away from one another until the current in the high-frequency coil has the desired value again.
In the method according to the invention it is expedient that the melting zone is generated by the very short high-frequency coil, essentially only encompassing the melting zone, and the change in the thickness of the rod in the high-frequency current causing the melting to control the devices regulating the spacing of the holders is used.
In the method according to the invention, by immersing or pulling out a metal body, the inductance of a second coil, which is connected in series with the high-frequency coil surrounding the semiconductor rod, and thus changes the thickness of the semiconductor rod during drawing.
It is useful, but not absolutely necessary, for the high-frequency coil used to control the thickness of the semiconductor rod to simultaneously heat the melting zone. If necessary, a separate coil, which is fed by a separate high-frequency generator, can also be provided for the thickness control.
Further details of the invention are explained in more detail below with reference to the drawing.
1 shows schematically the process of thickness control, FIG. 2 shows a performance diagram and FIG. 3 shows a heating system.
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illustrated. In the exemplary embodiment, the high-frequency coil 5 also serves to heat the zone 4. This entire arrangement is located in a quartz tube (not shown here) in a protective gas atmosphere. In order to enlarge the melting zone, a support field coil can also be provided. The support field coil and high-frequency coil 5 are arranged in such a way that they can be guided along the rod at a predetermined speed. If the melting zone z. B. guided in the direction indicated by the arrow 18, according to the invention the device for upsetting and stretching the rod during the zone drawing is arranged at the end of the semiconductor rod designated by 2.
In general, it is always arranged at the end of the rod that solidifies last, since then any defects in the crystal lattice that may occur due to the upsetting and pulling of the rod can be eliminated by the subsequent melting zone, so that rods with good crystal perfection are obtained.
To compensate for the inductive reactance of the coil 5, for. B. a capacitor 6 of the high frequency coil can be connected in parallel. This has the advantage that the high-frequency generator 7 only has to emit the active current caused by the heating power and the ohmic losses of coil 5 and capacitor 6, which is much smaller than the reactive current flowing through the coil.
The resonant circuit formed by the coil 5 and the capacitor 6, which is detuned from the internal transmitter resonant circuit of the generator, is capacitively or inductively coupled to the transmitter resonant circuit. The coupling is so loose that even if the heating circuit is detuned further due to the change in thickness of the semiconductor rod, the generator-heating circuit system oscillates at one frequency.
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The high-frequency current flowing in the coil 5 induces a voltage in the part of the semiconductor rod surrounded by the coil, which voltage causes a current whose magnetic field counteracts the one generated by the coil. You can compare this part of the semiconductor rod with a coil turn. As is known, the coupling factor of such coil arrangements is proportional to a function of the geometric dimensions of the coils and the diameter of the inner coil.
If, therefore, the thickness of the semiconductor rod changes while the method according to the invention is being carried out, the coupling factor and thus the resistance ZH of the heating circuit measured between terminals 12 and 13 also change. This change in load results in a change in the anode current, which is displayed by the instrument 8. A specific value of the anode current corresponds to a specific thickness of the rod.
The resistor 9 is now set at the beginning of the method according to the invention so that an anode current, as it corresponds to the desired thickness, causes a voltage drop across this resistor that is equal to the voltage output by the battery 10, so that the polarized relay 11 is in the rest position 15 lies. If the thickness of the semiconductor rod and thus the anode current of the generator change in the course of the process, the relay picks up and closes contact 16 or 17, depending on the direction in which the current change occurs Motor 21 set in motion the gear 19 along the rack 20 via a gear (not shown) and the semiconductor rod is stretched or compressed depending on the direction of rotation of the gear.
FIG. 2 shows the power N output by the generator as a function of the ratio of load resistance ZH to the output resistance of the transmitter Zs. As is well known, the power delivered is subject to adjustment, i.e. H. ZH = Zs, largest. In the proposed by the invention
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rod, which is to be retained by the control, the power output by the generator corresponds approximately to that at point A, i.e. work is carried out in the rising branch of the curve. From what has already been stated above, it follows that for a rod that becomes thinner, the coupling factor is smaller, i.e. H. the coupling between the high-frequency coil and the part of the semiconductor rod symbolized by a coil winding is loosened and thus ZH is larger.
It can be seen from the diagram in FIG. 2 that the adaptation then becomes better, i. H. the output power and therefore also the anode current increases. Conversely, if the semiconductor rod becomes thicker, i.e. the coupling becomes stronger, then ZH becomes smaller and so does the anode current.
The load resistance ZH can also be chosen so that work is carried out in the sloping branch of the curve, i.e. approximately at point B, i.e. H. that as the rod becomes thinner, i.e. the ZH increases, the power N emitted by the generator and thus the anode current decrease. In order to ensure that the thickness control takes place in the desired direction, the polarity of the relay 11 must then be reversed compared to the method in which the operating point is in the rising branch of the curve, that is, approximately at A.
If the operating point lies in the rising branch of the curve, the anode current indicated by the instrument 8 increases as the rod becomes thinner. The relay 11 must be polarized so that it z. B. the contact 16 closes, whereby a rotation of the motor 21 is caused, which moves the gear 19 in the direction of the arrow 22, so that the semiconductor rod is compressed, d. H. that the two ends 2 and 3 approach each other, u. zw. Until the anode current has the desired value again and the relay 11 falls back into the rest position 15.
As the rod becomes thicker, the anode current becomes smaller, the relay 11 closes e.g. B. the contact 17, whereby the motor 21 rotates the gear in the direction of the arrow 23 so that the semiconductor rod is stretched until the anode current returns to the desired value and the relay 11 drops out.
In order to change the thickness of the semiconductor rod during the drawing in this inventive method, z. B. between the terminals 12 and 13, the heating system shown in Fig. 3 is connected.
In addition to the high-frequency coil 24 which surrounds the semiconductor rod 1, a second coil 25 is connected in series. The reactance of these two coils can, for. B. be compensated by a capacitor 26 again. For example, by immersing or pulling out a metal body 27, the inductance of the coil 25 can be changed and thus the load resistance of the system effective between the terminals 12 and 13, ie. H. the anode current or the thickness of the semiconductor rod.
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