CS220628B1

CS220628B1 - Inductor for preparing semiconductor crystals by zonal melting by induction heating

Info

Publication number: CS220628B1
Application number: CS241781A
Authority: CS
Inventors: Vilem Smejkal
Original assignee: Vilem Smejkal
Priority date: 1981-04-01
Filing date: 1981-04-01
Publication date: 1983-04-29

Abstract

Vynález ise týká jednozávitového plošného induktoru pro přípravu (polovodičových krystalů metodou letmé zonální tavby s indukčním ohřevem v souosém vertikálním usípořádání. Induktor je vedle hlavních přívodů od koaxiálního vedení opatřen dodatečnými přívody pro vedení vysokofrekvenčních proudů a chladicí kapaliny, kterými je možné vytvářet rotační asymetrii pole v oblasti horního rozhraní fází a tím ovlivňovat proces odtavování tyčí výchozího materiálu.The invention relates to a single-threaded sheet inductor for preparation (semiconductor of crystals by the flying zonal melting method with induction heating in coaxial vertical alignment. The inductor is coaxial to the mains lines are provided with additional leads for conducting high frequency currents and coolant to form rotational asymmetry of the field in the upper region phase interface and thereby influence the process melting of the starting material bars.

Description

Vynález ise týká jednozávitového plošného induktoru pro přípravu (polovodičových krystalů metodou letmé zonální tavby s indukčním ohřevem v souosém vertikálním usípořádání.The invention also relates to a single-threaded flat inductor for the preparation of semiconductor crystals by the fly-zone zonal melting method with induction heating in a coaxial vertical arrangement.

Induktor je vedle hlavních přívodů od koaxiálního vedení opatřen dodatečnými přívody pro vedení vysokofrekvenčních proudů a chladicí kapaliny, kterými je možné vytvářet rotační asymetrii pole v oblasti horního rozhraní fází a tím ovlivňovat proces odtavování tyčí výchozího materiálu.In addition to the main leads from the coaxial line, the inductor is provided with additional leads for conducting high-frequency currents and coolant through which the rotational field asymmetry in the region of the upper phase boundary can be created and thereby influence the melting process of the starting material rods.

-Ω-Ω

OO

Vynález se týká jednozávitového plošného induktoru pro přípravu polovodičových krystalů metodou letmé zonální tavby is Indukčním ohřevem.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a single-strand sheet inductor for the preparation of semiconductor crystals by the method of flying zonal melting with induction heating.

Při přípravě polovodičových krystalů metodou letmé zonální tavby s indukčním ohřevem se ipro vytvoření roztavené zóny používají jedno i vícezávitové, nejlépe paralelně vinuté, iinduktory, zhotovené z měděných nebo stříbrných trubek. Nevýhodou takto zhotovených jednozávitových induktorů je omezený rozsah jejich použití ve smyslu zvětšování průměrů krystalů. Nevýhodou ivícezávitových induktorů, které bývají konstruovány tak, že průměr vnitřního závitu je menší než průměr připravovaného klrystalu, je značná rotační nesymetrie jejich pole v okolí přívodů od koaxiálního vedení, která je příčinou mikroskopických změn rychlosti růstu krystalu a — s ohledem na závislost rozdělovačích koeficientů příměsí v krystalech na rychlosti krystalizace — způsobuje nehomogenní rozložení příměsí v krystalech.In the preparation of semiconductor crystals by the method of zonal melting with induction heating, single and multi-threaded, preferably parallel-wound, inductors made of copper or silver tubes are used to form the molten zone. The disadvantage of such single-threaded inductors is the limited scope of their use in terms of increasing the diameter of the crystals. The disadvantage of multi-threaded inductors, which are designed such that the diameter of the internal thread is smaller than the diameter of the prepared crystal, is the considerable rotational asymmetry of their field around the leads from the coaxial line, causing microscopic changes in crystal growth rate. in crystals at crystallization rate - causes inhomogeneous distribution of impurities in crystals.

Tento nedostatek odstraňuje induktor pro přípravu polovodičových krystalů metodou letmé zonální tavby s indukčním ohřevem, jehož přívody od koaxiálního vedení jsou v dostatečné míře vzdáleny od krystalizačního rozhraní a u kterého plošně rozložené proudy zajišťují dostatečně symetrické pole. Zlepšení symetrie pole se však může v procesu přípravy krystalů projevit nepříznivě v okolí horního rozhraní fází. Je-li jako výchozího materiálu použito polokrystalické tyče s neopracovaným povrchem, nebo oddhyluje-li se tato svými geometrickými parametry od válcového tvaru, např. oválný průřez, prohnutí, vytvářejí se v místě, kde se odtavuje povrch tyče, tj. na obvodu horního rozhraní fází, drobné, 1 až 3 mm dlouhé, svisle orientované výčnělky pevné fáze, které jsou při náhlém oddělení od výchozího materiálu a následujícím pádu na dolní rozhraní fází příčinou přerušení krystalického růstu. V případě, že teplotní podmínky při tavbě jejich oddělení neumožňují prodlužují se úměrně s posuvem roztavené zóny, až dojde k jejich kontaktu s induktoireim, který bud' znemožňuje plynulý přísun tavícího se materiálu, nebo je příčinou vf výboje, a tím přerušení tavby. Symetrické pole induktoru při letmé zonální tavbě s vf ohřevem bývá rovněž příčinou vzniku souvislých neprotavených oblastí ve tvaru prstenců, které se vytvářejí uvnitř roztavené zóny v rovinách mezi horním rozhraním fází a iinduktorem. Při jejich přiblížení k induktoru dochází k jejich náhlému protavení, které je plrovázeno výraznou a náhlou změnou tvaru roztavené zóny a tím i její mechanické stability v takové míře, že nezřídka dojde k poruše rovnováhy mezi silovým působením gravitace a povrchového napětí s následným vykápnutím taveniny.This drawback is overcome by an inductive zone heat melting inductor for semiconductor crystals whose feeds are sufficiently distant from the coaxial line from the crystallization boundary and where the area distributed currents provide a sufficiently symmetrical field. However, improving the symmetry of the field may have an adverse effect on the crystal preparation process around the upper boundary of the phases. If a semi-crystalline rod with a rough surface is used as the starting material, or if its geometrical parameters deviate from the cylindrical shape, eg oval cross-section, deflection, are formed at the point where the rod surface melts, ie at the periphery of the upper boundary phase, tiny, 1 to 3 mm long, vertically oriented protrusions of the solid phase, which cause a break in crystalline growth upon sudden separation from the starting material and subsequent fall to the lower phase boundary. If the melting temperature conditions do not allow their separation to be proportional to the displacement of the molten zone until they are contacted with an inductor which either prevents the flow of the molten material continuously or causes a high discharge, thereby interrupting the melting. The symmetrical field of the inductor in the hot-zone RF melting zone also causes continuous non-melted, ring-shaped regions formed within the molten zone in the planes between the upper phase interface and the inductor. As they approach the inductor, they suddenly melt, accompanied by a marked and sudden change in the shape of the molten zone and thus its mechanical stability to such an extent that the equilibrium between the force of gravity and the surface tension is often disturbed and the melt drips.

Uvedené nedostatky odstraňuje řešení podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že nad párem přívodů od koaxiálního vedení k tělesu induktoru je pro vedení vysokofrekvenčních proudů a chladicí kapaliny umístěn nejméně jeden pár dodatečných přívodů Od koaxiálního vedení, zakončený na horní ploše tělesa induktoru.The above-mentioned drawbacks are eliminated by the solution according to the invention, characterized in that at least one pair of additional leads from the coaxial line terminating on the upper surface of the inductor body is located above the pair of coaxial leads to the inductor body for conducting high-frequency currents and coolant.

Pár dodatečných přívodů vytváří v okolí horního rozhraní fází prostor s větší intenzitou magnetického pole, přičemž jejich vliv na symetrii pole v okolí dolního rozhraní fází je zanedbatelný. Je účelné, aby pár dodatečných přívodů byl veden souběžně s hlavními přívody nad tělesem induktoru tak, že do těleSa inlduktoru ústí na jeho horní ploše v místě, jehož vzdálenost od osy indúktoru je Srovnatelná s poloměrem ingotu výchozího materiálu. Neohá-li se horní hřídel zařízení, které je opatřeno takto konstruovaným induktorem, rotovat velmi pomalou rychlostí, nejlépe 0,5 až 2 min^-1, pak v průběhu tavby se dostává postupně každý bod povrchu ingotu výchozího materiálu, tj. polykrystalické tyče, do oblasti intenzivnějšího působení pole induktoru, což zajišťuje jeho dokonalejší odtavování. Asymetrické pole přitom současně narušuje, nebo úplně znemožňuje vytváření prstenců pevné fáze uvnitř roztavené zóny.A few additional leads create a space with a higher magnetic field intensity around the upper phase boundary, and their effect on the field symmetry around the lower phase boundary is negligible. It is expedient for the pair of additional leads to run parallel to the main leads above the inductor body so that it enters the inductor body at its top surface at a location whose distance from the inductor axis is comparable to the ingot radius of the starting material. If the upper shaft of a device equipped with such an inductor does not rotate at a very slow speed, preferably 0.5 to 2 min ^-1 , then during the melting process, each point of the ingot surface of the starting material, i.e. the polycrystalline rod, gradually reaches the field of intensification of the inductor field, which ensures its better melting. At the same time, the asymmetric field disrupts or completely prevents the formation of solid-phase rings within the molten zone.

Příkladná provedení induktorů podle přédloženého vynálezu jsou znázorněna na přiložených výkresech, kde je na:Exemplary embodiments of inductors according to the present invention are shown in the accompanying drawings, in which:

obr. la induktor s dutým tělesem s dodatečnými přívody vedenými celým svým profilem nad tělesem induktoru obr. lb půdorys induktoru z obr. la obr. 2a induktor chlazený trubkou vinutou kolem tělesa induktoru s dodatečnými přívody, jejichž profil částečně protíná profil tělesa inlduktoru obr. 2b půdorys induktoru z obr. 2a1b a plan view of the inductor of Fig. 1a Fig. 2a inductor cooled by a tube wound around the inductor body with additional leads whose profile partially intersects the profile of the inductor body Fig. 2b plan view of the inductor of FIG. 2a

Jak vyplývá z obr. 1 a obr. 2, tvoří tyč výchozího materiálu 1, roztavená zóna 2, rostoucí krystal 3 těleso induktoru 4, 4‘ osově symetrickou soustavu. Geometrická symetrie této soustavy je vždy porušena přívody 5, 5‘ od koaxiálního· vedení, které mohou být tvořeny trubkami ústícími do dutiny tělesa induktoru 4 nebo trubkou pevně obepínající těleso induktoru 4‘. Rovněž dodatečné přívody 8, 6‘, kterými je měněna symetrie pole v oblasti horního rozhraní fází, mohou být tvořeny trubkami ústícími do dutiny tělesa induktoru 4 nebo trubkou připevněnou k tělesu induktoru 4‘. Přívody 5, 5‘, k tělesu induktoru 4, 4‘ jsou pak s dodatečnými přívody 6, 6‘ přivedeny ke společným vyůstkám 7, jejichž tvar a rozměr je dán konkrétním typem použitého zařízení.As shown in FIGS. 1 and 2, the starting material rod 1, the molten zone 2, the growing crystal 3 forms an inductor body 4, 4 ' The geometrical symmetry of this system is always broken by the inlets 5, 5 ‘of the coaxial conduit, which may be formed by tubes leading into the cavity of the inductor body 4 or by a tube firmly enclosing the inductor body 4‘. Also, the additional inlets 8, 6 kterými by which the field symmetry in the region of the upper phase boundary is varied can be formed by tubes opening into the cavity of the inductor body 4 or by a tube attached to the inductor body 4 ‘. The inlets 5, 5 ‘, to the inductor body 4, 4‘, are then, with additional inlets 6, 6 ived, brought to common protrusions 7, the shape and size of which are determined by the particular type of device used.

Příprava polovodičových krystalů metodou letmé zonální tavby s indukčním ohřevem se provádí v evakuované nebo inertním plynem napuštěné komoře zařízení. Tato komora je v případě vertikálního souosého uspořádání opatřena dvěma na sobě nezávisle pohyblivými hřídeli. Na horní hřídeliThe preparation of semiconductor crystals by the method of flying zone melting with induction heating is carried out in an evacuated or inert gas impregnated chamber of the device. In the case of a vertical coaxial configuration, this chamber is provided with two independently movable shafts. On the upper shaft

S je připevněn ingot výchozího materiálu, tj. polykrystalická tyč přibližně válcového tvaru, na dolní hřídeli je připevněn krystalický zárodek. K induiktoru, uloženému uprostřed komory zařízení tak, že jeho osa splývá s osami obou hřídelí, jsou od oocilačního obvodu vysokofrekvenčního generátoru přiváděny vysokofrekvenční proudy. Vířivými proudy naindukovanými na dolním konci polykrystalické tyče se polykrystalická tyč zahřívá, až na ní dojde k vytvoření kapky taveniny kuželového tvaru. Po spojení taveniny s krystalickým zárodkem v prostoru uvnitř induiktoru ise při rotaci a pohybu směrem dolů obou hřídelí nechá na 'krystalickém zárodku narůstat krystal. Tvar induktoru a rychlost posuvu a rotací hřídelí se volí především tak, aby byly zajištěny optimální podmínky pro růst krystalu. Jednou z těchto (podmínek je dosažení maximální míry rotační symetrie pole v oblasti krystalizačního rozhraní, a tím potlačení mikroskopických změn v rychlosti krystalizace, jež jsou příčinou nehomogenního ukládání atomů příměsi v rostoucím krystalu. Tato symetrie, jež je zajišťována plošnými induktory zhotovenými z tělesa ve tvaru rotační plochy, se však nepříznivě projevuje při tavení polykrystalické tyče tím, že dává vzniknout uvnitř roztavené zóny neprotaveným souvislým oblastem ve tvaru prstenců, jejichž náhlé přetavení je provázeno výraznou změnou podmínek růstu krystalu, a v případě asymetrie nebo nerovného povrchu polykrystalické tyče nezaručuje spojité tavení povrchu polykrystalické tyče. Ó'ba tyto jevy lze současně odstranit vytvořením asymetrie pote nad horní plochou induktoru tím, že nad ipárem přívodů od koaxiálního vedení ik induktoru je umístěn ještě nejméně jeden pár přívodů vysokofrekvenčních proudů a chladicí kapaliny oid koaxiálního vedení, jenž je zakončen na horní ploše tělesa iniduktoru. Změna symetrie pole působením těchto dodatečných přívodů je v okolí krystalizačiního rozhraní zanedbatelná, přičemž nad iňduktorem je v blízkosti dodatečných přívodů vytvořena oblast se zvýšenou intenzitou pole. Tím je znemožněno vytváření drobných výčnělků pevné fáze na obvodu horního rozhraní fází, které jsou při pádu na dolní, tj. krystalizační rozhraní příčinou přerušení krystalického růstu. Asymetrie pole rovněž znemožňuje vytváření souvislých neprotavených prstenců uvnitř roztaivené zóny.The ingot of the starting material, i.e. a polycrystalline rod of approximately cylindrical shape, is attached to the S, a crystalline nucleation is attached to the lower shaft. High-frequency currents are supplied to the inductor disposed in the center of the apparatus chamber so that its axis coincides with the axes of the two shafts. With the eddy currents induced at the lower end of the polycrystalline bar, the polycrystalline bar is heated until a cone-shaped melt droplet is formed. After the melt is coupled to the crystalline seed in the space within the inductor, it is allowed to grow on the crystalline seed as it rotates and moves downwardly on both shafts. The shape of the inductor and the speed of shifting and rotation of the shafts are chosen so as to ensure optimal conditions for crystal growth. One of these conditions is to achieve a maximum degree of rotational field symmetry in the region of the crystallization interface, thereby suppressing microscopic changes in crystallization rate that cause inhomogeneous deposition of admixture atoms in the growing crystal. however, it has an adverse effect on the melting of the polycrystalline rod by giving rise to non-melted contiguous ring-shaped areas within the melted zone whose sudden remelting is accompanied by a significant change in crystal growth conditions. These phenomena can be simultaneously eliminated by creating an asymmetry of sweat over the top surface of the inductor by placing at least one pair of wires over the line of the coaxial leads and the inductor. of the high-frequency current and coolant lines of the coaxial conduit that terminates on the top surface of the iniductor body. The change in field symmetry due to these additional leads is negligible in the vicinity of the crystallization interface, and an area of increased field intensity is formed above the inductor near the additional leads. This prevents the formation of tiny protrusions of the solid phase at the periphery of the upper boundary of the phases which, when dropped to the lower, i.e. crystallization, interface cause the crystalline growth to be interrupted. The asymmetry of the field also prevents the formation of contiguous non-melted rings within the expanded zone.

Claims

SUBJECT

Inductor for preparing semiconductor crystals by the method of zonal melting with induction heating in vertical coaxial arrangement in inert gas atmosphere or in vacuum, characterized in that above a pair of leads (5) from coaxial lines to inventing the iniducer body (4) is for guiding high frequency at least one pair of additional leads (6) from the coaxial conduit terminated on the drive surface of the iniducer body (4).

2 sheet; drawings