DE1041700B

DE1041700B - Vorrichtung zum tiegellosen Zonenschmelzen von stabfoermigen Halbleiterwerkstuecken

Info

Publication number: DE1041700B
Application number: DES40230A
Authority: DE
Inventors: Hans Schering
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1954-07-30
Filing date: 1954-07-30
Publication date: 1958-10-23

Description

Vorrichtung zum tiegellosen Zonenschmelzen von stabförmigen Halbleiterwerkstücken Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum tiegellosen Zonenschmelzen von stabförmigen Halbleiterwerkstücken, bei welcher als Beheizurigseinrichtung ein relativ zum Stab in dessen Achsrichtung verschiebbarer Wärmestrahler vorgesehen ist.
Es ist für die Herstellung von Einkristallen bereits vorgeschlagen worden, einen Draht durch ein evakuiertes oder mit einem inerte-n Gas gefülltes kugelförmiges Gehäuse, sich gleichachsig in dessen" Durchinesserrichtung außen bzw. sowohl zum Teil innen als auch zum Teil außen erstreckende Rohre mit Dichtungen an ihren Endflächen sowie durch eine ihn nahe dem Kugelmittelpunkt umschließende und mittels eines sie durchfließenden elektrischen Stromes elektrisch beheizte Glühspira,le hindurchzuführen. Hierbei soll die Innenmantelfläche der Kugelform einerseits die von der Glühspirale nach außen erfolgende Strahlung zum Punkt der größten Wärmeentwicklung, also die Glühspirale selbst bzw. dein dieser unmittelbar benachbarten Raum zurückwerfen und andererseits eine gewisse Wärmemenge übernehmen, um demjenigen der genannten. Rohre Wärme zuzuführen, welches außen wärmeisoliert ist und durch welches der zu behandelnde Draht dein Kugelhohlraum zugeführt wird. Bei einer solchen Anordnung befindet bich der beheizte Wärmestrahlungskörper im gleichen Raum wie der zu behandelnde Körper, so daß eine unerwünschte Verunreinigung dieses Körpers durch Stoffe stattfinden kann, -welche von der Heizspirale in Form der Glühspirale und der bewußt durch diese gleichzeitig beheizten Gefäßwand abgegeben werden können. Bei der Herstellung von Halbleiterkörpern moderner Art ist es aber von grundsätzlicher Bedeutung, daß der Halbleiterkörper von unerwünschten Verunreinigungen freigehalten. wird. Aus diesem Grunde ist auch für Halbleiterkörper das Reinigungsverfahren in Form des sogenannten Zonenziehens eingeführt worden. Dieses besteht bekanntermaßen darin, den Halbleiterkörper in einer Zone seiner Länge in den schmelzflüssigen Zustand überzuführen und diese Schmelzzone dann allmählich über die ganze Länge des Halbleiterkörpers hinwegzuführen. Irn Falle des Reinigungsprozesses wird dabei die verschiedene Löslichkeit der Verunreinigungskomponenten an der Phasengrenze fest-flüssig entsprechend dem sogenannten Verteilungskoeffizienten ausgenutzt. Das Zonenziehen wird jedoch, auch für die Zwecke der Einkristallausbildung eines Halbleiterkörpers aus einem stabförmigen polykristallinen Körper benutzt, an dessen einem Ende ein Impfkristall angeordnet ist, von welchem aus dann mittels der wandernden, Glühspirale aus dem vor der Glühzone polykristallinen Halbleiterwerkstoff über den schmelzflüssigen Zustand an der Erstarrungsseite ein monokristallines Wachstum hervorgerufen, wird. Zum Zwecke des Zonenziehens an einem stabförmigen Siliciumkörper z. B. ist es bekannt gewesen, einen kurzen Zylinder aus Tantal um den Halbleiterkörper als Heizelement vorzusehen, welches durch sein Erhitzen bis zum Glühen einen kurzein Abschnitt des Siliciums zum Schmelzen bringt. Die geschmolzene Zone wird durch die Oberflächenspannung des Materials zusammengehalten und langsam über den Stab hin-,veg,-eführt, indem die Einspanavorrichtung des Siliciumstückes nach oben oder unten geführt wird. Auch im Falle dieser Anordnung ist der H&Ibleiterkörper der -unmittelbaren Bestrahlung des Heizkörpers in dem gleichen Raum mit den bereits geschilderten Nachteilen ausgesetzt.
Gegenüber die-sen bekannten. Vorrichtungen für ein tiegelloses Zonenschmelzen von, sta-bförmigen Halbleiterwerkstücken, wobei als Beheizungseinrichtung ein relativ zum Stab in dessen Achsrichtung verschiebbarer Wärmestrahler vorgesehen ist, zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung dadurch aus, daß der Wärmestrahler außerhalb eines das Werkstück einschließenden Schutzbehälters angeordnet ist und daß optische Mittel vorgesehen sind, in deren Brennpunkt die Schmelzzone angeordnet ist, so daß eine Wärtnestrahlung über die optischen Mittel dieser Zone zugeführt wird. Das zu behandelnde Werkstück lie#gt also geschützt in. einem besonderen Raum und kann durch Verunreinigungen, welche von der Wärmestrahlungsquelle abgegeben oder durch deren mittelbare Wirkung erzeugt werden, keine nachteilige B#-eiii'iiti,suii- crfahren. Die von der Wärmequelle "(-lieferte Energie läßt sich bei guter Ausnutzung in #-,--,rteilhafter Weise durch die optischen Mittel und die Ausnutzun- der Ei-enschaft derselben, eine atif trcffeii(le bzw. sie durchlaufende Strahlung zu Brennpunkt hin zu >ammeln. in ihrer Wirkung 2 Z .u. eine Schrnclzzone an dem Halbleiterkörper bee-#,ChränIxii. und zwar auf diese konzentrieren, ohne di, den zu behandelnden Körper tragenden Teile und (las ihn einschließende Gehäuse wesentlich zu erhitzen, insbesendere wenn, dieses für einen geringen Wärmestrahlungswiderstand ausgebildet ist.
Die, erwünschte eng begrenzte Zone läßt sich durch Einstellung der optischen Mittel leicht entsprechend crreichen, während die Intensität der Erhitzung noch eingestellt werden 1,1-ann durch die Einstellung der die Wärmestrahlungsenergie liefernden Quelle.
Als optische Mittel können. Spiegel und Linsen eventuell in Verbindung mit Prismen oder ähnlichen bekannten ' Mitteln zur Strahlungslenkung benutzt werden.
Die Wärmestrahlungsquelle kann z. B. etwa punktförrnig und von hoher Temperatur sein. Geeignet sind z. B. Kohlelichtbögen.. die Zirkonlampe, die Nernstlampe od. dgl. Die Wärmestrahlungsquelle kann aber auch ringförmig oder stabförmig sein., z. B. ein. hocherhitzter Draht. der eventuell im Vakuum angeordnet ist, oder/und ein Körper aus keramischer Masse, der entsprechend erhitzt wird. und die Strahlung gegebenenfalls zur Bildung einer strichförmigen, Zone konzentriert werden. Es liegt, wie bereits hervorgelic,hen, im Sinne einer großen Güte und Wirksamkeit des Gegenstandes der Erfindung, daß das Material des Rohres. welches den durch Zonenziehen zu behandelnden Körper einschließt. sowie die optischen Mittel vom Charakter der Linsen und Prismen für die Wärniestrablung gut durchlässig und die Spiegel t' z# wirksam reflektierend sind. was durch die Wahl ihres Werk.,toffes bzw. ihrer 0b2rflächenbescha:ffe#nheit bewerden kann. Eine allseitige Erwärmung des H-,II)le,iter1z5rperb kann entweder durch eine, allseitige Be>trahlung mittels einer oder mehrerer Wärmequellen erreicht werden oder durch einen relativen Umlauf des zu behandelnden Körpers und der Bestrablungsquelle oder deren optischer Mittel. HaJbleiterkörper, welche hierdurch mittels Zonenziehen behandelt werden können, sind. z. B. solche, die aus Itid,ium-Aiitii-nonid, oder Indium-Arsenid bestehen.
Beispielsweise Ausführungen für die Anwendung der Erfindung veranschaulichen die Figur der Zeichnung. 1 bezeichnet ein Gefäß, in welchem der durch Z(-,netiziehen zu behandtInde Körper 2 an, den Einspannstellen 3 und 4 gehalten ist. Dieser Anordnung ist ein Hohlspiegel 5 zugeordnet, der die von, der Wärmequelle 6 ausgesandte Wärmestrahlung durch ein vorzugsweise einstellbares Linsensystem 7 hindurchschickt, welches die Wärmestrahlung durch enthprechende Konzentration nur auf eine eng begrenzte Zone der Länge des Körpers 2 lenkt'. An der linken Seite des Gefäßes 1 ist eine beispielsweise andere wählbare Form für die Wärmestrahlungseinrichtung wiedergegeben. Es ist wieder ein Hohlspiegel 8 vorgesehen. Auf diesen gelangt die von der Wärmequelle 9 ausgesandte Wärmestrahlung. Der Spiegel 8 reflektiert die Wärmestrahlung auf die Reflexionsflächen 10, welche sie durch ihre Formgebung konzentriert auf eine bestimmte Zone des Halbleiterkörpers 2 lenkt.
Die Anordnung kann gegebenenfalls so getroffen werden, daß von einer Wärmequelle aus mehrere optische Systeme beliefert werden, die je eine konzentrierte Wärmestrahlung auf den zu behandelnden Halbleiterkörper2 lenken, die beispielsweise um einen gewissen Betrag in der Längsrichtung des Körpers 2 oder auch in seiner Umfangsrichtung gegeneinander versetzt liegen können und entweder gemeinsam an der Bildung der gleichen Zone oder jede für sich bzw. in. Gruppen mit einer anderen an der Bildung je einer selbständigen Zone beteiligt sein können. Bei gleichzeitiger Bildung mehrerer Zonen. können diese dann gleichzeitig über den Halbleiterkörper hinweggeführt werden.. eventuell in einer sich dauernd wiederholenden bzw. zyklischen, Folge.

Claims

PATENTANSPROCHE-. 1. Vorrichtung zum tiegellosen Zonenschrnelzen von stabförmigen Halbleiterwerkstücken, wobei als Beheizungseinrichtung ein. relativ zum Stab in dessen Achsrichtung verschiehbarer Wärmestrahler vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmestrahler (6, 9) außerhalb eines das Werkstück einschließenden. Schtttzbehälters (l') angeordnet ist und daß optische, Mittel (10, T 5, 8) vorgesehen sind, in. deren Brennpunkt die Schmelzzone angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als optische Mittel Linsen oder/und Spiegel oder/und Prismen verwendet werden. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmestrahler ringförmig um den Behälter angeordnet ist. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wärmestrahler zur gleichzeitigen Erhitzung einer oder mehrerer Zonen des Werkstückes vorgesehen sind. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung eines Wärmestrahlers durch mehrere optische Mittel gleichzeitig auf verschiedene Stellen einer Zone konzentriert ist. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung einer Wärmequelle über mehrere optische Mittel gleichzeitig auf mehrere getrennte Zonen des Werkstückes konzentriert ist. In Betracht gezogonie Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 109 298; Phys. Rev., 92, 2, S. 1297 (1953).