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Schiffchenförmiger Tiegel zum Zonenschmelzen
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Wasserstoff in einem schiffchenförmigen Tiegel hergestellt und darin nachträglich in Form eines Stabes verschmolzen. Darauf wird das Germanium in einem weiteren schiffchenfoinügen Tiegel durch Zonenschmelzen gereinigt und darauf wieder in einem andern schiffchenförmigen Tiegel in die Einkristallform gebracht, wobei ausserdem durch Zusatz einer wirksamen Verunreinigung zum Germanium ein bestimmter Leitfähigkeitstyp und eine bestimmte, spezifische Leitfähigkeit erhalten werden. Bei den Tiegeln bekannter Art ist es schwierig, verschiedenen Tiegeln die gleiche Gestalt der Innenwandung zu erteilen.
Dies bringt die Möglichkeit mit sich, dass der in einem Tiegel durch die Schmelzbshandlung erhaltene Stab nicht in den weiteren Tiegel passt. Werden in diesem Falle Tiegel nach der Erfindung benutzt, so genügt es zum Sichern einer guten Einpassung in den weiteren Tiegeln, dafür zu sorgen, dass die beiden Innenwände jedes Tiegels, die sich parallel zur Längsrichtung des Tiegels erstrecken, bei den verschiedenen anzuwendenden Tiegeln einen Winkel gleicher Grösse einschliessen, welche Bedingung bei der Herstellung dieser Tiegel keine besonderen Schwierigkeiten mit sich bringt.
Der Tiegel nach der Erfindung eignet sich insbesondere zur Herstellung eines Einhristallstabes durch Zonenschmelzen unter Anwendung eines Keimkristalles. Es wird dabei zum Sichern einer guten Einpassung vorzugsweise ein Keimkristall verwendet, der zwei aneinander grenzende, flache Seiten hat, die miteinander einen Winkel derselben Grösse einschliessen wie die beiden flachen Innenwände des Tiegels. Diese flachen Seiten lassen sich gegebenenfalls bequem und genau am Keimkristall anbringen. Es kann dabei leicht die gewünschte Kristallorientierung in dem herzustellenden Stab berücksichtigt werden, in dem die flachen Seiten so angebracht werden, dass die Grenzlinie parallel zur gewünschten Orientierungsrichtung verläuft, in der der Kristall anwachsen soll.
Als Seitenflächen können auch zwei natürliche Kristallflächen des KeimMstalles verwendet werden, wobei ein Tiegel benutzt wird, dessen sich parallel zur Längsrichtung erstreckende Innenwände einen Winkel einschliessen, dessen Grösse gleich der des Winkels zwischen den beiden natürlichen Kristallebenen ist. Es kann weiter ein Teil eines Einkristallstabes als Keimkristall verwendet werden, der in einem Tiegel nach der Erfindung hergestellt ist, wobei ein Tiegel benutzt wird, dessen Seitenwände einen gleichen Winkel einschliessen wie der Tiegel, in dem der Keimkristall hergestellt worden ist.
Alle diese Möglichkeiten lassen sich bei Anwendung von Tiegeln bekannter Art nicht oder mit grossen Schwierigkeiten verwirklichen.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand beiliegender Zeichnung näher erläutert, in der schiffchenförmige Tiegel teilweise im Schnitt senkrecht zur Längsrichtung, teilweise in perspektivischer Ansicht, und Stäbe, die durch Zonenschmelzen in diesen Tiegeln hergestellt sind, in zur Längsrichtung senkrechtem Schnitt veranschaulicht sind.
Fig. 1 zeigt einen schiffchenförmigen Tiegel bekannter Art. Fig. 2 zeigt einen stabförmigen Körper schmelzbaren Materials, der in dem in Fig. l dargestellten Tiegel he-gestellt ist. Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines Tiegels nach der Erfindung. Fig. 4 zeigt ein anderes Beispiel eines Tiegels nach der Erfindung.
Fig. 5 zeigt einen im Tiegel nach Fig. 4 hergestellten, stabförmigen Körper aus einem schmelzbaren Ma- terial.
Der in Fig. 1 veranschaulichte, schiffehenförmige Tiegel bekannter Art, der z. B. aus Graphit bestehen kann, hat eine Innenseite, die gemäss dem veranschaulichten Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung des Tiegels drei sich in der Längsrichtung des Tiegels erstreckende Wande hat, d. h. eine ge- krümmte Wand l, welche den Boden des Tiegels bildet und die in zwei nahezu flache, schräg auflaufende Wände 2 und 3 übergeht, die sich bis zur offenen oberen Seite 4 des Tiegels erstrecken.
Fig. 2 zeigt im Querschnitt einen durch Zonenschmelzen in dem in Fig. 1 veranschaulichten Tiegel hergestellten Stab aus schmelzbarem Material z. B. einkristallinischem, halbleitendem Material. Die gekrümmte untere Seite 5 und die nahezu flachen Seiten 6 und 7 entsprechen den Innenwänden l, 2 und 3 des Tiegels nach Fig. 1. Die obere Seite 8 hat im allgemeinen eine einigermassen unregelmässige Form.
Bei der in Fig. 1 und in Fig. 2 dargestellten Gestalt des Tiegels bzw. des Stabes liegt infolge der Differenz in dem Ausdehnungskoeffizienten des Stabmaterials und des Tiegelmaterials eine GefahrdesFestklemmens vor, so dass der hergestellte Stab schwierig aus dem Tiegel entfernt werden kann oder der Tiegel infolge der auftretenden Spannung zerbricht.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines schiffchenförmigen Tiegels gemäss der Erfindung, der z. B. aus einem Graphitblock durch mechanische Bearbeitung hergestellt ist. Der Querschnitt zeigt eine V-förmige Innenseite, die durch zwei gerade, sich am Boden des Tiegels begegnende Linien gebildet wird, welche zwei flachen Innenwänden 10 und 11 entsprechen, die einen Winkel 12 von 900 einschliessen und die sich parallel zur Längsrichtung des Tiegels erstrecken. Die Endwände 13 haben eine gekrümmte Gestalt.
Fig. 4 zeigt ein anderes Beispiel eines Tiegels nach der Erfindung. Die Innenseite des Tiegels hat
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wieder zwei Wände 10 und 11, parallel zur Längsrichtung des Tiegels, welche Wände einen Winkel 12 von 900 einschliessen. Der Tiegel besteht aus Siliciumdioxyd und ist mit Endplatten 14 ebenfalls aus Siliciumdioxyd versehen, die auf übliche Weise festgeschmolzen sein können. Die Aussenwände des Tiegels erstrecken sich parallel zu den entsprechenden Innenwänden. Der Tiegel kann durch Blöcke oder Füsse aus Siliciumdioxyd abgestützt werden, welche Teile an den Aussenwänden des Tiegels befestigt sind. Es ist auch möglich, Endplatten anzuwenden, die über die Seitenwände des V-förmigen Tiegels vorstehen und die z. B. eine rechteckige Gestalt haben können, so dass sie als Stützen für den Tiegel dienen können.
Der in Fig. 4 dargestellte Tiegel kann aus einem Quarzglasrohr mit einer rechteckigen Bohrung vorherbestimmter Gestalt und Abmessung hergestellt werden, welches Rohr durch ein an sich bekanntes Verfahren aus einem runden Rohr gebildet werden kann, indem ein Dorn angemessener Gestalt unter Erhitzung durch das Rohr geführt wird. Das Rechteckrohr kann in der gewünschten Länge abgeschnitten und in der Längsrichtung längs zwei einander gegenüberliegender Kanten durchgeschnitten werden, so dass zwei Vförmige Teile erhalten werden, worauf mindestens ein Teil mit Endplatten 14 und gewünschtenfalls mit Füssen 15 versehen werden kann.
Fig. 5 zeigt im Querschnitt einen stabförmigen Körper, der durch Zonenschmelzen in einem Tiegel nach den Fig. 3 oder 4 erhalten ist. Die flachen Seiten 16 und 17 und der Winkel 18 entsprechen den flachen Innenwänden 10 und. 11 und dem Winkel 12 der Tiegel nach den Fig. 3 oder 4. Die obere Seite 19 des Stabes kann eine einigermassen unregelmässige Gestalt aufweisen.
Es wird einleuchten, dass es bedeutend leichter ist, einen stabförmigen Körper des zu behandelnden Materials oder einen Keimkristall derart zu bearbeiten, dass er genau in einen Tiegel nach den Fig. 3 und 4 passt, als eine gute Passung bei dem bekannten Tiegel nach-Fig. l zu erzielen. Es ist weiter einfach dafür zu sorgen, dass eine bestimmte Orientierung eines Keimkristalls gegenüber den Tiegeln der Fig. 3 und 4 erzielt wird, da zwei flache Seiten im allgemeinen genau angebracht werden können. Da so eine gute Einpassung eines stabförmigen Körpers oder eines Keimkristalls gesichert werden kann, ist beim Zonenschmelzen das Fliessen des geschmolzenen Materials zwischen die Tiegelwand und den Stab oder den Keimkristall leicht zu verhüten.
Es ist weiter einfach, zwei Tiegel gemäss der Erfindung im Gegensatz zu zwei Tiegeln nach Fig. l mit der gleichen inneren Gestalt herzustellen und einen Stab aus einem Tiegel genau in einen andern Tiegel einzupassen, da die regelmässigen, flachen Seitenwände sich leicht genau unter einem bestimmten Winkel anbringen lassen.
Es ist weiter üblich, bei schiffchenförmigen Tiegeln zum Zonenschmelzen Einsatzstücke anzuwenden, um das Fliessen geschmolzenen Materials in die nicht gefüllten Teile des Tiegels zu verhüten. Es ist ersichtlich, dass ein solches Einsatzstück leichter in einen Tiegel nach den Fig. 3 oder 4 eingepasst werden kann als in einen Tiegel nach Fig. 1.
Eine ungleiche Ausdehnung des Tiegels und des Stabes nach Fig. 1 bzw. Fig. 2 infolge Änderung der Temperatur verursacht eine gegenseitige Bewegung der Punkte der Seitenflächen 6 und 7, welche Bewegungen teilweise nach den Wänden 2 bzw. 3 hin oder von diesen abgerichtet sind, so dass entweder ein Festklemmen oder ein Spielraum entsteht.
Bei etwaiger ungleicher Ausdehnung oder Schrumpfung des Tiegels nach Fig. 3 oder 4 und des darin befindlichen Stabes nach Fig. 5 werden sich die Punkte der Seitenflächen 16 und 17 gegenüber dem Tiegel parallel zu den Seitenwänden 10 und 11 verschieben, wodurch kein Festklemmen des Stabes eintritt und die Anpassung beibehalten wird.
Wenn ein Einkristallstab aus Halbleitermaterial durch Zonenschmelzen hergestellt ist, wird er gewöhnlich längs zur Längsrichtung senkrechter Ebenen in Scheiben geteilt, wobei jede Scheibe gewöhnlich weiter in rechteckige Körper unterteilt wird, die bei der Herstellung von Halbleiterelektrodensystemen wie z. B. Transistoren oder Dioden verwendet werden. Es ist ersichtlich, dass beim Unterteilen einer Scheibe eines stabförmigen Körpers nach Fig. 2 in rechteckige Körper am ganzen Rande der Scheibe Material verloren geht. Bei dem stabförmigen Körper nach Fig. 5 mit den zwei flachen Seiten 16 und 17, die einen Winkel von etwa 900 einschliessen, können die Scheiben leicht längs zu den Seiten 16 und 17 paralleler Linien geteilt werden in etwa rechteckige Körper, wobei der Verlust an Material sich auf die obere Seite 19 beschränkt.