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Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von lotrecht stehenden Stäben aus Halbleitermaterial
Halbleiteranordnungen wie Gleichrichter, Transistoren, Fotodioden u. dgl. werden bereits in gro- ssem Masse in der Elektrotechnik verwendet. Zu ihrer Herstellung benötigt man grosse Mengen von hoch-
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materials wurden verschiedene Verfahren entwickelt, unter anderem das tiegelfreie Zonenschmelzen.
Beim tiegelfreien Zonenschmelzen wird ein Stab aus Halbleitermaterial vorzugsweise lotrecht in zwei an seinen Enden angreifende Halterungen eingesetzt. Eine ringförmig den Halbleiterstab umgebende
Heizvorrichtung, meistens eine Induktionsspule, wandert in Achsrichtung über die gesamte Länge des
Stabes, wobei der innerhalb der Heizvorrichtung liegende Teil des Stabes aufgeschmolzen wird. In der
Wanderungsrichtung der Schmelzzone wird an ihrer Vorderseite ständig neues Halbleitermaterial aufgeschmolzen, während an der gegenüberliegenden Seite ständig Halbleitermaterial erstarrt. Infolge der kristallinen Struktur des Materials tritt hiebei ein Reinigungseffekt von Fremdstoffen auf, der zu der einen Anwendung des tiegelfreien Zonenschmelzens, nämlich zum Zonenreinigen, führt.
Eine weitere Anwendung ist das Einkristallzüchten, bei dem an das eine Ende eines polykristallinen Halbleiterstabes ein Einkristall angeschmolzen und von dieser Verschmelzungsstelle ausgehend eine Schmelzzone, eventuell mehrfach, durch die gesamte Länge des Halbleiterstabes geführt wird. Ausserdem kann das tiegelfreie Zonenschmelzen noch zum Zonenschmelznivellieren (zone-levelling) benutzt werden, bei dem eine Schmelzzone-mehrfach über die gesamte Stablänge in beiden Richtungen geführt wird und die Konzentration bestimmter im Halbleitermaterial vorhandener oder diesem zugesetzter Verunreinigungen über die gesamte Stablänge vergleichmässigt wird, z. B. von Bor in Silicium, das in die- sem einen Verteilungskoeffizienten von nahezu 1 aufweist.
Wird das Zonenschmelzen in einen evakuierten Gefäss durchgeführt, so tritt zu den geschilderten Vorgängen noch ein zusätzlicher Reinigungseffekt durch Abdampfen von Fremdstoffen.
Es ist bereits ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen mit induktiver Beheizung der Schmelzzone bekanntgeworden, bei dem unterhalb der Heizspule ein Graphitring angeordnet ist, welcher gleichfrequenten und gegenphasigen Strom führen kann. Dieser Graphitring uient zur Vorheizung des Halbleitermaterials, da kaltes Halbleitermaterial keine Induktionsströme aufzunehmen vermag. Der Graphitring ist unbeweglich an einem Ende des Stabes gehaltert.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von lotrecht stehenden Stäben aus Halbleitermaterial, insbesondere von Stäben über 15 mm Durchmesser, mit zwei an den Enden des Stabes angreifenden Halterungen, sowie einer in Längsrichtung des Stabes beweglichen, diesen umschliessenden Induktionsheizspule und einer gleichfrequenten und gegenphasigen Strom führenden zweiten Induktionsspule und ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Induktionsspule aus einem Material mit geringem elektrischen Widerstand besteht und unterhalb der ersten Induktionsspule in festem Abstand zu dieser und zusammen mit dieser bewegbar angeordnet ist. Gemäss einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann die zweite Induktionsspule als geschlossener, ebenfalls dem Halbleiterstab umschliessender, aus elektrisch leitendem Material bestehender Ring ausgebildet sein.
Der Ring kann zweckmässigerweise aus Silber bestehen, das eine gute Leitfähigkeit aufweist und gleichzeitig genü -
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gend rein hergestellt werden kann, so dass keine Verunreinigung des Halbleitermaterials durch den Ring auftritt.
Durch die erfindungsgemässe Anordnung wird die Länge der Schmelzzone in Achsrichtung gemessen, erheblich vermindert.
Die gegenphasig zu der Heizspule gespeiste zweite Induktionsspule baut unterhalb der Heizspule ein Feld auf, das zur Kompensation des Heizspulenfeldes im unteren Bereich der Schmelzzone dient. Es ergibt sich der Vorteil, dass dieses Feld unabhängig von dem Feld der Heizspule verändert werden und gegebenenfalls auch ganz abgeschaltet werden kann, beispielsweise jeweils bei der Aufwärtsbewegung der Heizspule oder bei Behandlung von Stäben mit geringerem Durchmesser.
Anderseits ist auch eine selbsttätige Anpassung des Kompensationsfeldes an das Feld der Heizspule möglich, indem die gegenphasig gespeiste Induktionsspule von dem gleichen Strom wie die Heizspule durchflossen wird und nur im Gegensinne zu dieser gewickelt ist. Ähnlich wirkt ein unterhalb der Heizspule angebrachter geschlossener Ring aus elektrisch leitendem Material
Da sich infolge der Kurzschlussströme in dem Ring ein Feld aufbaut, wird in dem innerhalb des Ringes gelegenen Teil des Halbleiterstabes das Feld der Heizspule weitgehend kompensiert und demzufolge an dieser Stelle praktisch keine Heizwirkung mehr ausgeübt. Nur der oberhalb des Ringes gelegene Teil des Stabes kann aufgeschmolzen werden.
Die Verkürzung der Schmelzzone bringt verschiedene Vorteile mit sich. Bekanntlich wird die Schmelzzone durch Oberflächenkräfte zusammengehalten. Werden nun die innerhalb der Schmelzzone befindlichen Materialmengen zu gross, so kommt es zu einem Aufreissen der Oberfläche ; die Schmelzzone tropft ab. Dies führt dazu, dass man beim tiegelfreien Zonenschmelzen nicht über eine bestimmte Grösse des Stabdurchmessers hinausgehen kann, weil dann die Gefahr des Abtropfens der Schmelzzone zu gross wird und an den mit der Arbeit betrauten zu grosse Anforderungen hinsichtlich Aufmerksamkeit und Sorgfalt gestellt werden müssen. Die Verkürzung der Schmelzzone vermindert diese Gefahren und erlaubt damit die aus verfahrenstechnischen Gründen erwünschte Behandlung von Stäben grösseren Durchmessers mit der erfindungsgemässen Zonenschmelzeinrichtung.
Die Gefahr des Abtropfens der Schmelzzone ist besonders stark bei der Abwärtsbewegung der Heizspule. Die bekannte birnenförmige Gestalt der-Schmelze wird besonders stark ausgeprägt, und der am unteren Ende befindliche Wulst kann abreissen. Dies kommt daher, weil sich bei der Abwärtsbewegung die Wirkungen der Schwerkraft und des Magnetfeldes der Heizspule auf die Schmelzzone addieren, u. zw. wirken sie besonders stark auf den Wulst. Bei Stäben von über 15 mm Durchmesser führt dies normalerweise dazu, dass nur die Aufwärtsbewegung der Heizspule zum Zonenschmelzen ausgenutzt werden kann, In Abwärtsrichtung wird die Spule dann mit verminderter Heizleistung bewegt, damit eine Glühzone für den Neubeginn des Zonenschmelzens erhalten bleibt.
Die Anordnung gemäss der Erfindung gestattet es nun, auch bei Stäben grösseren Durchmessers sowohl die Auf- als auch die Abwärtsbewegung der Heizspule zum Zonenschmelzen zu benutzen. Dies bringt eine erhebliche Zeitersparnis mit sich, da man den lialbleiterstab nicht mehr nach der halben Anzahl der Zonendurchläufe umzukehren und danach die an-
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Richtung durchzufüh-gleichmässige Verteilung der Fremdstoffe über die Stablänge bewirkt wird.
In der Zeichnung ist in Fig. 1 die Ausbildung der Schmelzzone in einem starken Halbleiterstab bei Verwendung einer bisher üblichen Zonenschmelzeinrichtung mit Flachspule dargestellt und in Fig. 2 die Ausbildungder Schmelzzone bei Verwendung einer erfindungsgemäss ausgebildeten Zonenschmelzeinrichtung, in beiden Fällen bei Abwärtsbewegung der Heizspule. Die Heizspule 2 kann 2 :. B. aus versilberten Kupferrohren bestehen, durch die Kühlwasser fliesst. In Fig. 2 ist unterhalb der Heizspule 2 der aus einem kurzen Hohlzylinder bestehende Kurzschlussring 3 angebracht.
Er ist mit einer Kühlschlange 6 versehen, welche in den Kühlkreislauf der Heizspule 2 einbezogen, jedoch mit dieser elektrisch nicht in Reihe geschaltet, sondern mittels einer Kurzschlusslasche 4 überbrückt ist, die dafür sorgt, dass nicht der Heizstrom der Spule 2 durch den Ring 3 fliesst. Wie sich aus dem Vergleich der Fig. 1 und 2 ergibt, neigt die Schmelzzone 5 im ersten Fall zum Abtropfen, während diese Gefahr im zweiten Fall gebannt ist, da sich durch die erhebliche Verkürzung auch gleichzeitig eine Verminderung des unteren Wulstes eingestellt hat.
In der Fig. 3 ist eine weitere Einrichtung gemäss.. der Erfindung dargestellt. Die Heizspule 12 besteht aus einer Flachspule mit drei Windungen, während die zweite Induktionsspule 13 gegenphasig gewickelt ist und nur eine Windung besitzt. Es hat sich als zweckmässig erwiesen, das Gegenfeld etwa 1/4-1/2 so stark wie das Heizspulenfeld zu machen. Heizspule 12 und zweite Spule 13 können aus dem gleichen versilberten Kupferrohr hergestellt und nicht nur an die gleiche Stromquelle, sondern auch an den glei-
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chen Kühlkreislauf angeschlossen sein.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von lotrecht stehenden Stäben aus Halbleitermaterial, insbesondere von Stäben über 15 mm Durchmesser, mit zwei an den Enden des Stabes angreifenden Halterungen sowie einer in Längsrichtung des Stabes beweglichen, diesen umschliessenden Induktionsheizspule und einer gleichfrequenten und gegenphasigen Strom führenden zweiten Induktionspule, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Induktionsspule (3 bzw. 13) aus einem Material mit geringem elektrischen Widerstand besteht und unterhalb der ersten Induktionsspule in festem Abstand zu dieser und zusammen mit dieser bewegbar angeordnet ist.