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Verfahren zum Konstanthalten der Breite der Schmelzzone beim tiegelfreien
Zonenschmelzen fn letzter Zeit ist es in der Kristalltechnik, insbesondere aber
in der Technik der Halbleiter, z. B. des Germaniums, des Siliziums oder der halbleitenden
intermetallischen Verbindungen üblich geworden, Kristalle von höchster Reinheit
und möglichst fehlerfreiem Gitterbau dadurch herzustellen, daß man einen Stab des
Ausgangsmaterials senkrecht an seinen Enden hält und durch diesen Stab eine Schmelzzone
laufen läßt, die durch ihre Oberflächenspannung zusammengehalten wird und gegen
den -einen Teil des Stabes durch eine Einschmelzzone und gegen den anderen Teil
durch eine Erstarrungsfront abgegrenzt ist. Dieses Verfahren eignet sich besonders
für die Bearbeitung solcher Materialien, die, wie Silizium, sehr reaktionsfreudig
sind. In der Praxis wird nun meist der zu behandelnde Körper unter Vakuum durch
eine feststehende, die Erhitzung bewirkende Induktionsspule geführt, so daß der
Körper bewegt wird, die Schmelzzone aber in dem Wirkungsbereich der Induktionsspule
räumlich festliegt.
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Die Qualität des Gitterbaues und die gleichmäßige Stärke des aus der
Schmelzzone anwachsenden Kristalles und insbesondere der Anteil der in der Schmelzzone
vorhandenen Verunreinigungen, der in den Kristall an der Erstarrungsfront eingebaut
worden ist, sind nun weitgehend von der Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalles
an der Erstarrungsfront abhängig. Setzt man erstens voraus, daß der anwachsende
Kristallteil mit der gleichen Geschwindigkeit von der Induktionsspule entfernt wird,
mit der er an der Erstarrungsfront weiterwächst, daß zweitens die an der Erstarrungsfront
vorhandenen Temperaturverhältnisse konstant bleiben und daß drittens von dem abschmelzenden
Kristallteil an der Einschmelzfront in der Zeiteinheit die gleiche Menge Kristallmaterial
abschmilzt, die an der Erstarrungsfront wieder anwächst, so wird die Wachstumsgeschwindigkeit
stets gleichbleiben. Da aber sowohl die Konstanz der heizenden Energiequelle durch
Schwankungen beeinträchtigt wird als auch die Wärmeabstrahlungsverhältnisse sich
fortlaufend ändern und da auch der abschmelzende Teil des Körpers an der Einschmelzfront
nicht immer den gleichen Querschnitt hat, so sind die zweite und die dritte der
oben angeführten Voraussetzungen nicht immer gegeben. Die Wachstumsgeschwindigkeit
an der Erstarrungsfront ändert sich andauernd und mit ihr nicht nur der Durchmesser,
sondern auch die Verunreinigungskonzentration in dem anwachsenden Kristallteil.
Um einen homogenen Kristall mit überall gleichen Eigenschaften zu ziehen, muß also
überall die gleiche Verunreinigungskonzentration vorliegen. Da nun die Breite der
Schmelzzone an der Erstarrungsfront, genauer gesagt, die Neigung der Tangente an
die Profilkurve der Schmelzzone an der Grenze flüssig-fest der Erstarrungsfront
die Wachstumsbedingungen des Kristalles bestimmt, ist es für die Erzielung gut gewachsener
Kristalle wichtig, die Breite der Schmelzzone möglichst konstant zu halten. Die
Breite hängt nun von der Menge des flüssigen Materials in der Schmelzzone ab, die
durch Schwerkraft geformt wird. Die Menge des flüssigen Materials ist aber wiederum
abhängig von der Heizleistung. Die Erfindung offenbart nun ein Verfahren, das es
gestattet, unter Ausnutzung dieser Abhängigkeiten selbsttätig einen Kristall unter
an allen Stellen gleichen Wachstumsbedingungen zu ziehen.
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Dieses Verfahren zum Konstanthalten der Breite der Schmelzzone beim
tiegelfreien Zonenschmelzen von festen Körpern in senkrechter Richtung, insbesondere
beim Ziehen von Halbleitereinkristallen, bei dem durch senkrechte Bewegung des Körpers
die Schmelzzone mit flüssigem Material zwischen einer Einschmelz- und einer Erstarrungsfront
derart durch den Körper wandert, daß sie räumlich festliegt, ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Heizung für die Schmelzzone durch von einer Seitenkante der Schmelzzone
und von einer Schlitzblende begrenzte Lichtstrahlen, die in photoelektrischen Empfängern
Spannungen oder Ströme bewirken, gesteuert wird.
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Die Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens kann erfindungsgemäß
derart ausgebildet sein, daß zwei jeweils tangential von der Schmelzzone und von
zwei Schlitzblenden begrenzte Lichtstrahlen vorgesehen sind, von denen der eine
im Normalzustand die maximale Breite der Schmelzzone festlegt, während der andere
im Normalzustand unterbrochen ist und die minimale Breite der Schmelzzone festlegt.
Dabei kann zugleich der Rand der Schmelzzone als Lichtquelle für die Lichtstrahlen
dienen, so daß zusätzliche Lichtquellen nicht erforderlich sind.
Es
ist günstig, planparallele Schlitzblenden derart anzuordnen, daß der dadurch begrenzte
Lichtstrahl den Rand der Schmelzzone tangierend berührt.
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Besonders empfindlich ist das Verfahren dann, wenn die Blenden so
liegen, daß--die Lichtstrahlen nahe an der Erstarrungsfront vorbeigehen, da, wie
oben dargelegt, gerade die Verhältnisse in diesem Teil der Schmelzzone die Wachstumsbedingungen
besonders stark beeinflussen.
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Eine weitere Verfeinerung des,Verfahrens wird erzielt, wenn man jeweils.zwei
um:9!fl° gekreuzte Schlitzblenden vorsieht: Dadurch kann man die zur Beobachtung
vorgeseherien Teile des Randes der flüssigen Zone- noch besser abgrenzen. Ordnet
man .darüber hinaus . die Blenden noch derart beweglich an, daß sie sich parallel
zu ihren Schlitzen verschieben, und daß sie drehbar sind, so kann man das Blendensystem
leicht den jeweils erforderlichen Gelegenheiten anpassen.
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Die Figuren zeigen in zum Teil schematischer Darstellung Beispiele
für Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einem stabförmigen Körper dargestellt,
der in Richtung des Pfeiles durch eine Hochfrequenzspule geführt wird, die der Übersichtlichkeit
halber nicht dargestellt ist und die in dem Körper eine geschmolzene Zone 1 erzeugt.
In diese Zone 1 schmilzt fortlaufend aus dem Teil 2 des festen Körpers Material
nach, während an der Erstarrungsfront 3 an den Teil 4 des festen' Körpers in gleichem
Maße Material anwächst. Mit 5 und 6 sind in Fig. 1 und 2 zwei. Lichtstrahlen bezeichnet,
die von den wellen 7 und 8 ausgehen und auf zwei lichtempfindliche Empfänger
9 und 10 gerichtet sind. Der Licht-#,trahl 5 ist streifend an dem
einen Rand der flüssigen Zone vorbeigeführt und leuchtet den Empfänger 9 im Normalzustand
andauernd und vollständig aus. Wird nun die geschmolzene Menge vergrößert, so vergrößert
sich auch der Durchmesser der geschmolzenen Zone von der betrachteten Stelle, und
der Empfänger 9 wird nur noch teilweise oder gar nicht mehr ausgeleuchtet. Diese
Schwankung äußert sich in dem von dem Empfänger 9 abgegebenen Signal, und dadurch
kann eine Verminderung der Heizleistung eingestellt werden, wodurch sich auch die
Masse des geschmolzenen Materials und damit der Durchmesser der flüssigen Zone vermindert,
so daß der Empfänger 9 wieder voll ausgeleuchtet wird. In entgegengesetztem Sinne
wirkt eine teilweise oder vollkommene Ausleuchtung des Empfängers 10, der im Normalzustand
nicht ausgeleuchtet ist. Diese Ausleuchtung tritt erst ein, wenn sich der Durchmesser
der geschmolzenen Zone vermindert und dadurch den i. der Weg zu dem Empfänger 10
ganz öder teilweise geöffnet. wird.
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In Ei-. 3 ist mit 11 und 12 je ein Paar Schlitz-1>lenden bezeichnet,
die senkrecht zur Papierebene hintereinanderliegen und durch die der nunmehr auch
als Lichtquelle dienende Rand 13 und 14 der flüssigen. Zone von zwei Empfängern
in gleicher Weise, wie bei Fig. 2 die Lichtquellen 7 und 8, beobachtet wird.
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In Fig. 4 sind mit 15 und 16 zwei Punkte der Grenze zwischen der festen
und der flüssigen Phase an der Erstarrungsfront 17 bezeichnet,, deren Umgebung in
Richtung auf die flüssige Zone 18 für die Beobachtung nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren besonders geeignet ist. Bei der Verwendung von Schlitzblendenpaaren wird
man diese mit Vorteil so neigen, daß bei dem einen Blendenpaar die Tangente 19 in
Flucht mit den beiden dem Körper zugewandten Kanten der Schlitze ist, während die
Tangente 20 in Flucht mit den beiden dem Körper abgewandten Kanten der Schlitze
1 ist. Das der Tangente 19 zugeordnete Blendenpaar würde dann in seiner Funktion
dem Blendenpaar 11 in Fig. 3 entsprechen, während das der Tangente 20 zugeordnete
Blendenpaar die Funktion des Blendenpaares 12 ausüben würde.
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In Fig. 5 ist ein Blendenpaar 21 dargestellt, dem um 90° versetzt
ein zweites Blendenpaar 22 zugeordnet ist, womit die öffnung der Blende auf das
Viereck 23 beschränkt wird. Die Anwendung eines solchen doppelten Blendenpaares
ist in Fig. 6 für den Punkt 24 dargestellt, wobei mit 25 die Tangente an den Rand
der flüssigen Phase in Punkt 24 bezeichnet ist. Die Tangente 25 liegt der besseren
Übersichtlichkeit wegen nicht an einem der Ränder des Blendenpaares 21, sondern
ist abweichend in der Mitte liegend dargestellt.