DE1076623B

DE1076623B - Device for crucible-free zone drawing of rod-shaped semiconductor material

Info

Publication number: DE1076623B
Application number: DES55905A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Reimer Emeis; Joachim Haus
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1957-11-15
Filing date: 1957-11-15
Publication date: 1960-03-03
Also published as: GB844570A; US2904663A; FR1204149A; CH365362A

Description

Zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit einem oder mehreren p-n-Übergängen, z. B. Gleichrichtern, Transistoren, Photodioden, insbesondere mit einem einkristallinen Grundkörper aus Silizium, wird ein Rohmaterial von extrem hohem Reinheitsgrad benötigt. Zu diesem Zweck sind bekanntlich besondere Behandlungsverfahren und Vorrichtungen entwickelt worden. Beim sogenannten tiegelfreien Zonenziehen, das z. B. zur Reinigung von Halbleitermaterialien, bzw. zum Ziehen von Einkristallen, dienen-skann. wird ein Stab aus dem entsprechenden Material senkrecht an beiden Enden eingespannt und dann beispielsweise vermittels einer Induktionsspule mit Mittel- oder Hochfrequenz geschmolzen. Das Schmelzen kann bekanntermaßen auch vermittels Strahlheizung durch eine ringförmige Heizvorrichtung mit Gleichstrom oder niederfrequentem Wechselstrom erfolgen.For the production of semiconductor devices with one or more p-n junctions, e.g. B. rectifiers, Transistors, photodiodes, in particular with a monocrystalline base body made of silicon requires a raw material of extremely high purity. For this purpose are known to be special Treatment methods and devices have been developed. With so-called crucible-free zone pulling, the Z. B. for cleaning of semiconductor materials, or for pulling single crystals, serve-skann. will a rod made of the appropriate material clamped vertically at both ends and then for example melted by means of a medium or high frequency induction coil. The melting can be known also by means of radiant heating through an annular heating device with direct current or low-frequency alternating current.

Die Induktionsspule, deren axiale Ausdehnung im Verhältnis zur Länge des Stabes gering ist. erschmilzt nur die jeweils in ihr liegende Zone des Stabes und wird langsam in Längsrichtung des Stabes bewegt. Der gesamte Vorgang spielt sich zweckmäßigerweise im Hochvakuum ab, so daß neben dem eigentlichen Reinigungsvorgang durch Zonenziehen gewisse Verunreinigungen auch durch Abdampfen aus dem behandelten Halbleiter entfernt werden. Die Behandlung kann aber auch unter Schutzgas durchgeführt werden.The induction coil, the axial dimension of which is small in relation to the length of the rod. melts only the zone of the rod that lies in it and is slowly moved in the longitudinal direction of the rod. The entire process expediently takes place in a high vacuum, so that in addition to the actual Cleaning process by zoning certain impurities also by evaporation from the treated Semiconductors are removed. The treatment can also be carried out under protective gas.

Bei der Zuführung des Heizstromes für die Heizvorrichtung treten Schwierigkeiten auf. Die beiden Stromzuführungen für den Heizstrom, beispielsweise mit einer Frequenz von 1 bis 5 MHz, sollen möglichst nahe beieinander und induktionsfrei so verlegt werden, daß das eine Ende der Stromzuführungen durch den Boden des Gefäßes hindurchgeführt wird, damit von außen die Leistung zugeführt werden kann, während das andere Ende mit der daran befindlichen Heizspule in senkrechter Richtung beweglich sein muß. Die Zuleitungen müssen so verlegt sein, daß sie auch bei der betriebsmäßigen Bewegung nicht mit anderen Teilen oder der Gefäß wandung in Berührung kommen können. Ferner dürfen sie beim Hantieren am geöffneten Gerät nicht stören. Außerdem muß für eine genügende Kühlung der Heizspule gesorgt werden, weil diese, deren Windungen die Schmelzzone eng umschließen, sonst durch Strahlungsheizung stark erwärmt würde. Dies ist auch deshalb nötig, damit während des Betriebes im Vakuum keine unerwünschten Verunreinigungen aus ihr abdampfen und in das behandelte Material gelangen können.Difficulties arise when supplying the heating current for the heating device. The two Power supply lines for the heating current, for example with a frequency of 1 to 5 MHz, should if possible be laid close together and induction-free so that one end of the power leads through the Bottom of the vessel is passed so that the power can be supplied from the outside while the other end with the heating coil attached to it must be movable in the vertical direction. The supply lines must be laid in such a way that they do not come into contact with other parts even during operational movement or the wall of the vessel may come into contact. They are also allowed to handle the open Do not disturb device. In addition, sufficient cooling of the heating coil must be ensured because this, the windings of which tightly enclose the melting zone, otherwise it would be strongly heated by radiant heating. This is also necessary so that there are no undesired impurities during operation in a vacuum can evaporate from it and get into the treated material.

Diese Schwierigkeiten können vermieden werden, wenn für die Stromzuführung zur Heizspule mehrere Leiterrohre verschiedener Weite, welche die Heizspule tragen, koaxial ineinander angeordnet sind, von denen dasjenige mit der größten Weite durch eine Wandung, Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenziehen von stabförmigem HalbleitermaterialThese difficulties can be avoided if several for the power supply to the heating coil Conductor pipes of various widths, which carry the heating coil, are arranged coaxially one inside the other, of which the one with the greatest width through a wall, device for pan-free zone pulling of rod-shaped semiconductor material

Anmelder:Applicant:

Siemens-SchuckertwerkeSiemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,Corporation,

Berlin und Erlangen,Berlin and Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

DipL-Phys. Reimer Emeis und Joachim Haus,Diploma Phys. Reimer Emeis and Joachim Haus,

Pretzfeld (OFx.),
sind als Erfinder genannt wordenPretzfeld (OFx.),
have been named as inventors

vorzugsweise den Boden, des Gefäßes in an sich bekannter Weise mittels einer gasdichten Durchführung in seiner Längsrichtung verschiebbar hindurchgeführt ist. Das äußere Rohr besteht vorteilhaft aus hartverchromtem und geschliffenem Stahl, damit es in der gasdichten Durchführung, die vorzugsweise aus einem ölüberlagerten Dichtungsring besteht, relativ leicht gleiten kann. Der Hohlraum im inneren Rohr und der Zwischenraum zwischen dem äußeren und dem mittleren Rohr können vorteilhafterweise zur Zu- und Abfuhr eines Kühlmittels, z. B. Wasser, dienen. Der Zwischenraum zwischen den stromführenden Leiterrohren wird zweckmäßigerweise mit Isolierstoff ausgefüllt, oder man kann auch den Zwischenraum evakuieren, z. B. durch Anschluß an das Hochvakuum des Gefäßes der Zonenziehvorrichtung.preferably the bottom of the vessel in a manner known per se by means of a gas-tight bushing is guided displaceably in its longitudinal direction. The outer tube is advantageously made of hard chrome-plated and ground steel so that it is in the gas-tight bushing, which is preferably made of an oil-coated Sealing ring exists, can slide relatively easily. The cavity in the inner tube and the Gaps between the outer and the middle pipe can advantageously be used for supply and discharge a coolant, e.g. B. water, serve. The space between the live conductor tubes is expediently filled with insulating material, or the gap can also be evacuated, z. B. by connection to the high vacuum of the vessel of the zone pulling device.

Ein ganz besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich noch aus dem starren Aufbau der gesamten Anlage. Dadurch, daß die Heizspule starr an der Stromzuführung befestigt ist, kann man diese als beweglichen Spulenträger benutzen. Nach den bisher bekannten Anordnungen wird nämlich die Heizspule an einem Schlitten befestigt, der auf einer Spindel auf- und abläuft. Diese wird von außerhalb des Gefäßes angetrieben, wodurch eine Drehdurchführung erforderlich wird. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann nun die Verstellung der Stromzuführung mit der daran befestigten Heizspule außerhalb des Ge-A very special advantage of the arrangement according to the invention also results from the rigid structure the entire system. Because the heating coil is rigidly attached to the power supply, you can do this Use it as a movable bobbin. According to the previously known arrangements namely the heating coil attached to a slide that runs up and down on a spindle. This comes from outside the vessel driven, which requires a rotary feedthrough. In the arrangement according to the invention can now adjust the power supply with the attached heating coil outside of the

309 758/198309 758/198

fäßes erfolgen, so daß nur eine Schiebedurchführung erforderlich ist. Gleichzeitig wird der Aufwand innerhalb des Gefäßes verringert.be carried out so that only one sliding bushing is required. At the same time, the effort is within of the vessel decreased.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das den Erfindungsgedanken näher veranschaulichen soll. In dem Boden 2 des Hochvakuumgefäßes befindet sich eine gasdichte Durchführung 3, die beispielsweise aus einer Ringdichtung besteht. In ihr kann das geschliffene, hochglänzend hartverchromte Stahlrohr 4 gleiten. Hierdurch ist eine Auf- und Abbewegung der gesamten Stromzuführung mit der Heizspule möglich, ohne daß eine merkliche Vakuumverschlechterung eintritt. In dem Stahlrohr 4 befindet sich mit einem gewissen Zwischenraum ein Kupferrohr 5 und darin wieder mit einem Zwischenraum ein Kupferrohr 6, die beide als Stromleiter dienen. Der letztere Zwischenraum ist in dem Ausführungsbeispiel der Zeichnung mit einer Isolierung 7 ausgefüllt, die aus bandförmigem Polytetrafiuoräthylen bestehen und mit Paraffin vergossen sein kann. Statt dessen kann aber auch dieser Zwischenraum an das Hochvakuum des Gefäßes der Zonenziehvorrichtung angeschlossen sein. Auch hierdurch werden Überschläge zwischen den beiden Leiterrohren 5 und 6 selbst bei geringem Abstand sicher vermieden. Eine Dichtung 8 aus Polytetrafluoräthylen dient am unteren Rohrende zum Abschluß des Zwischenraums nach außen. Eine ebensolche Dichtung ist in der Zeichnung auch am oberen Rohrende vorgesehen. Die Pfeile 9 deuten den Zu- und Abfluß des strömenden Kühlmittels an.In the drawing, an embodiment is shown that illustrate the inventive concept in more detail target. In the bottom 2 of the high vacuum vessel there is a gas-tight bushing 3, which consists, for example, of a ring seal. The polished, high-gloss hard chrome-plated Steel tube 4 slide. This results in an up and down movement of the entire power supply with the heating coil possible without a noticeable vacuum deterioration occurring. In the steel pipe 4 is located a copper pipe 5 with a certain gap and a copper pipe in it again with a gap 6, both of which serve as conductors. The latter gap is in the exemplary embodiment Drawing filled with an insulation 7, which consist of ribbon-shaped Polytetrafiuoräthylen and with Paraffin can be shed. Instead, this space can also be connected to the high vacuum of the Be connected to the vessel of the zone pulling device. This also causes flashovers between the two conductor tubes 5 and 6 safely avoided even with a small distance. A seal 8 made of polytetrafluoroethylene serves at the lower end of the pipe to close the gap to the outside. Such a seal is also provided at the upper end of the pipe in the drawing. The arrows 9 indicate the inflow and outflow of the flowing coolant.

Außerhalb des Hochvakuumgefäßes werden die Stromzuführungen und die Zuführung des Kühlmittels flexibel gestaltet, während der Anschluß der Heizspule an der Stelle 10 starr erfolgt. Die Heizspule wird zweckmäßigerweise in den Kühlkreislauf mit einbezogen, wie es die Zeichnung zeigt.The power supply and the supply of the coolant are located outside the high vacuum vessel designed to be flexible, while the connection of the heating coil at point 10 is rigid. The heating coil is expediently included in the cooling circuit, as shown in the drawing.

Claims

Patent claims:

1. Device for crucible-free zone drawing of rod-shaped semiconductor material, in particular Silicon for semiconductor devices, e.g. B. rectifiers, transistors or photodiodes, with one Vessel, in particular high vacuum vessel of relatively large width, in which the holding devices for the rods to be treated as well as a movable one that surrounds the rod in a ring shape and in the longitudinal direction of the rod displaceable heating coil, which is connected to an external power source is housed, characterized in that for the power supply to the heating coil several conductor pipes of various widths sealed against each other in a gas-tight manner, which form the heating coil carry without special additional means' and of which at least two of each other electrically are isolated, are arranged coaxially one inside the other, of which the one with the largest width by means of a wall, preferably the bottom, of the vessel in a manner known per se a gas-tight bushing is guided displaceably in its longitudinal direction.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the cavity of the inner and the space between the outer and middle tube for supplying and removing a coolant to serve.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the space between the current-carrying conductor pipes connected to the high vacuum of the vessel of the zone pulling device is.

Considered publications:
German interpretative document No. 1 014 332.

1 sheet of drawings