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Verfahren zur Veränderung des Querschnittes eines Stabes aus kristallinem Material, insbesondere Halbleitermaterial
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Veränderung des Querschnittes eines Stabes aus kristallinem Material, insbesondere Halbleitermaterial, mit Hilfe des tiegellosen Zonenschmelzens durch Bewegung der an den Enden des Stabes angreifenden Stabhalterungen in Richtung der Stabachse und ist dadurch gekennzeichnet, dass durch den lotrecht stehenden Stab von unten nach oben eine Schmelzzone hindntchge- führt wird und dabei die den Stab in geringem Abstand ringförmig umgebende Heizeinrichtung mit einer solchen Geschwindigkeit nach oben geführt und die beiden Stabhalterungen einander derartig genähert werden,
dass das aus der Schmelze unterhalb der Heizeinrichtung sich wieder abscheidende Material einen grösseren Durchmesser als den Innendurchmesser der Heizeinrichtung aufweist.
Es ist bereits ein Verfahren zur Behandlung eines Halbleiterstabes durch tiegelloses Zonenschmelzen bekanntgeworden, bei dem die an den Stabenden angreifenden Stabhalterungen in Richtung der Stabachse bewegt werden, um den Querschnitt des Stabes zu verändern, insbesondere um ihn zu vergleichmässigen.
Der Stab kann hiebei gestaucht oder auseinandergezogen werden, wobei der Querschnitt in weiten Grenzen veränderbar ist.
Aus der österr. Patentschrift Nr. 194444 ist auch bereits ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen bekanntgeworden, bei dem durch passende Wahl des Verhältnisses der Geschwindigkeiten von oberer Stabhalterung und Heizeinrichtung gegenüber der unteren Stabhalterung ein beliebiger dünner Schmelzling gezogen werden kann.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich aus der an sich bekannten birnenförmigen Gestalt der Schmelzzone beim tiegelfreien Zonenschmelzen mit lotrecht stehendem Stab im Zusammenhang mit der Aufwärtsbewegung der Heizeinrichtung ein Nutzen in der Weise erzielen lässt, dass der Querschnitt des Stabes bis zu einem solchen Durchmesser vergrössert werden kann, dass dieser grösser als der Innendurchmesser der Heizeinrichtung wird. Es ergibt sich somit eine Möglichkeit, Stäbe dem Zonenreinigen zu unterwerfen und einen danach relativ grossen Durchmesser zu geben.
Der Prozess des Zonenreinigens ist nämlich mit Stäben grossen Durchmessers schwer zu handhaben. Es werden zu hohe Anforderungen an die Aufmerksamkeit der mit der Arbeit betrauten Personen gestellt. Für gewisse Zwecke werden aber Kristalle grossen Durchmessers benötigt, z. B. für elektrische Halbleiteranordnungen, wie Leistungsgleichrichter oder Leistungstransistoren. Solche Anordnungen besitzen meistens als Grundkörper eine flache Halbleiterscheibe, die durch Abtrennen von durch tiegelfreies Zonenschmelzen hergestellten Stäben quer zur Stabachse gewonnen werden, und deren Grösse deshalb gleich dem Stabdurchmesser ist. Für höhere Leistungen benötigt man nun Scheiben grösseren Durchmessers und demzufolge Stäbe grösseren Durchmessers.
Auch für optische Zwecke, beispielsweise für Linsen oder Filter, werden Kristalle grösseren Durchmessers gefordert, beispielsweise für Strahlungen im ultraroten Bereich aus Silicium.
Bisher bestand die Möglichkeit, nach dem Zonenreinigen eines Stabes mit relativ geringem Durchmesser diesen anschliessend in eine andere Zonenschmelzvorrichtung mit einem Heizring grösseren Durchmessers zu bringen, oder den Heizring auszuwechseln und danach eine entsprechende Stauchung des Stabes vorzunehmen. Dieses Verfahren ist aber gegenüber dem erfindungsgemässen Verfahren zeitraubend und unwirtschaftlich. Ausserdem ergibt sich die Möglichkeit von Verunreinigungen.
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An Hand eines Beispieles soll das Verfahren näher erläutert werden. In der Zeichnung ist der Bereich des Kristallstabes, an dem die Vergrösserung des Querschnittes vorgenommen wird, dargestellt. Die Beheizung der Schmelzzoue erfolgt mit Hilfe einer Induktionsspule, vorzugsweise einer Flachspule. Eine Flachspule ist besonders gut geeignet, weil sie eine gute Kontrolle der Arbeit und eine besonders enge Bündelung der Heizwirkung gestattet.
Zunächst wird der Stab in der üblichen Weise einem Zonenreinigungsprozess unterworfen, d. h. eine Schmelzzone wird mehrfach über die gesamte Stablänge geführt wobei sich die Verunreinigungen in der Schmelze anreichern und in dem rekristallisierenden Material vermindert werden. Hiedurch findet ein dauernder Transport der Verunreinigungen in Richtung zum Stabende statt. Mit dem Zonenreinigurgsprozess ist zweckmässigerweise eine Umwandlung des Stabes in einen Einkristall verbunden. Der Heizring umschliesst vorteilhafterweise den Stab mit geringem-Abstand. Der Stabdurchmesser beträgt zweckmässigerweise 10-18 mm. Dies ist eine Grösse, die sich erfahrungsgemäss leicht beherrschen lässt.
Nachdem der Zonenreinigungsprozess beendet ist, wird die Stauchung gemäss der Erfindung vorgenommen. Hat der Stab beispielsweise einen Durchmesser von 12 mm und soll auf einen solchen von 21 mm gebracht werden, so findet eine Querschnittsvergrösserung im Verhältnis 1 : 3 statt. Demgemäss wird der Heizring, im dargestellten Beispiel die Flachspule 2, deren Innendurchmesser zirka 18 mm beträgt, mit einer relativ grossen Geschwindigkeit nach oben bewegt, z. B. mit 6 mm/min. Dadurch wird erreicht, dass die Spule sich immer etwas näher am oberen Ende der Schmelze 3, also näher dem dünneren Stabteil 4 als dem dickeren Stabteil 5 befindet. Die untere Stabhaltung wird entsprechend nach oben bewegt, also in dem geschilderten Beispiel mit einer Geschwindigkeit von 4 mm/min, damit auf diese Weise die geforderte Stauchung stattfindet.
Entsprechend der grossen Wanderungsgeschwindigkeit der Heizspule muss eine stärkere Leistungszufuhr als beim Zonenreinigen erfolgen. Dies kann leicht an dem die Heizleistung liefernden Hochfrequenzgenerator eingeregelt werden. Durch diese vergrösserte Leistungszufuhr wird somit eine Vergrösserung der Schmelzzone bis zu einem solchen Wert erreicht, dass eine Stauchung des Stabes im gewünschten Masse bewirkt werden kann.
Zu Beginn des Stauchvorganges muss darauf geachtet werden, dass die Vergrösserung des Querschnittes in allmählichem Übergang erfolgt, weil sonst ein Wegfliessen der Schmelzzone auftreten kann.
Vorteilhaft wird die untere Stabhalterung in an sich bekannter Weise in Drehung gehalten, damit auf diese Weise ein symmetrisches Auswachsendes Stabes gewährleistet ist.
PATENTANSPRÜCHE ;
1. Verfahren zur Veränderung des Querschnittes eines Stabes aus kristallinem Material, insbesondere Halbleitermaterial, mit Hilfe des tiegellosen Zonenschmelzens durch Bewegung der an den Enden des Stabes angreifenden Stabhalterungen in Richtung der Stabachse, dadurch gekennzeichnet, dass durch den lotrecht stehenden Stab von unten nach oben eine Schmelzzone hindurchgeführt wird und dabei die den Stab in geringem Abstand ringförmig umgebende Heizeinrichtung mit einer solchen Geschwindigkeit nach oben geführt wird und die beiden Stabhalterungen einander derartig genähert werden, dass das aus der Schmelze unterhalb der Heizeinrichtung sich wieder abscheidende Material einen grösseren Durchmesser als den Innendurchmesser der Heizeinrichtung aufweist.