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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.
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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.
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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.
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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.
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Als optische Mittel können. Spiegel und Linsen eventuell in Verbindung
mit Prismen oder ähnlichen bekannten ' Mitteln zur Strahlungslenkung benutzt
werden.
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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.
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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.
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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.