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Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen Bekanntlich dient das Zonenschmelzen
in der Halbleitertechnik zur Herstellung von hochreinem Halbleitermaterial, zur
Erzeugung von EinkristaRen und zur HersteRung von definiert dotiertem Halbleitermaterial.
In der älteren Ausführungsform des Zonenschmelzens wird dabei das Halbleitermaterial
in einem rinnenartigen, vorzugsweise aus hochreinem Graphit bestehenden Schmelzgefäß
gehaltert und durch eine, z. B. den Schmelztiegel ringförmig umgebende Heizquelle,
in einer Zone begrenzter Länge aufgeschmolzen. Durch Verschiebung der Wärmequelle
längs der Achse des Schmelzgefäßes wird die geschmolzene Zone durch das Halbleitermaterial
progressiv hindurchg:,eführt und die in ihm enthaltenen Verunreinigungen an den
Enden des Materials angesammelt. Der mittlere Teil des umzuschmelzenden Halbleitermaterials
weist dann nach einem oder mehreren Durchgängen der geschmolzenen Zone eine sehr
hohe Reinheit auf und wird von dem mit den angesammelten Verunreinigungen durchsetzten
Enden abgetrennt und zu Halbleitervorrichtungen weiterverarbeitet.
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Diese Reinigungswirkung des Zonenschmelzens sowie die Möglichkeit,
dieses Verfahren zur Herstellung von Einkristallen anzuwenden, sind wohl bekannt.
Zur Beheizung der geschmolzenen Zone beim Zonenschmelzen im Tiegel können als Wärmequelle,
z. B. ein induktiv geheizter Glühring, eine kurze Induktionsspule oder eine Bogenentladung
sowie Elektronenstrahlen und lonenstrahlen dienen.
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Bei der ohne Verwendung eines Schmelztiegels durchzuführenden jüngeren
Variante des Zonenschmelzens wird das umzuschmelzende Material in Gestalt eines
massiven Stabes nur an seinen Enden gehaltert und durch die Einstrahlung eines den
Stab konzentrisch umgebenden Glühringes eine sich über den Querschnitt des Stabes
erstreckende geschmolzene Zone begrenzter Länge erzeugt und durch eine Verschiebung
der die geschmolzene Zone erzeugenden Wärmequelle parallel zur Achse des umzuschmelzenden
Stabes allmählich durch den Stab hindurchueführt. Dabei wird die geschmolzene Zone,
die entsprechend schmal zu bemessen ist, nur auf Grund der Adhäsion und ihrer Oberflächenspannung
von den angrenzenden festen Stabteilen frei getragen, Gegebenenfalls kann ein elektromagnetisches
Stützfeld zur Erhöhung der mechanischen Stabilität der geschmolzenen Zone Anwendung
finden.
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Das ältere Zonenschmelzen im Tiegel läßt sich, im Gegensatz zum tiegellosen
Zonenschmelzen, einfacher durchführen, da die mechanische Stabilität der geschmolzenen
Zone durch die Wand des Tiegels automatisch gegeben ist. Anderseits werden hierdurch
Verunreinigungen bedingt, welche aus der stark erhitzten Wandung des Schmelzgefäßes
in die geschmolzene Zone eindiffundieren. Dieser Nachteil wird beim tiegellosen
Zonenschmelzen ersichtlich vermieden. Da jedoch beim tiegellosen Zonenschmelzen
mit einer frei gehaltenen Schmelzzone gearbeitet wird, ist dieses Verfahren wesentlich
schwieriger durchzuführen als das Zonenschmelzen im Tiegel.
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Dies gilt auch für die Beheizung der geschmolzenen Zone. Bisher wurde
bekannt, die geschmolzene Zone durch einen sich im Hochfrequenzfeld erhitzenden
Glühring durchzuführen. Diese Art der Beheizung macht jedoch bei Anwendung von hochschmelzenden
Halbleiterstoffen, wie Silizium, erforderlich, daß der Glühring selbst auf sehr
hohe Temperatur erhitzt werden muß. Da anderseits im Interesse eines guten Wirkungsgrades
der Heizung der Glühring möglichst nahe der Oberfläche des umzuschmelzenden Stabes
und im Innern des verwendeten Behandlungsgefäßes anzuordnen ist, ergibt sich zwangläufig
die Gefahr, daß aus dem Glühring abgedampfte Stoffe in die geschmolzene Zone gelangen
können. Hierdurch wird der an-,cr gungseffekt zum Teil wieder zunichte. ,estrebte
Reini..
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Anderseits könnte man daran denken, die geschmolzene Zone unmittelbar
durch eine mit Hochfrequenz g gespeiste Induktionsspule zu erzeugen, die außerhalb
des Behandlungsgefäßes angeordnet ist. Der hierzu benötigte Hochfrequenzgenerator
ist jedoch in der Anschaffung und im Betrieb verhältnismäßig aufwendig.
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Gemäß der Erfindung werden die genannten Nachteile vermieden, indem
die Schmelzzone mittels einer Glimmentladung, welche von dem als Kathode geschalteten
Halbleiterstab zu einer relativ zu seiner
Oberfläche axial umlaufenden
- insbesondere mit Wasser - gekühlten Gegenelektrode übergeht, erzeugt
wird.
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Für das Zonenschmelzen ist es gleichgültig, ob die Gegenelektrode
(Anode) rotiert und der umzuschmelzende Halbleiterstab ruht oder ob umgekehrt die
Ge-
genelektrode ruht und der Stab sich um seine Achse dreht. Anderseits läßt
sich die Kühlung der Anode leichter durchführen, wenn diese ruht. Aus diesem Grund
ist zweckmäßig die Gegenelektrode feststehend, während der umzuschmelzende Halbleiterstab
um seine Achse rotiert. Da jedoch das zonenweise Aufschmelzen des Stabes eine gewisse
Zeit benötigt, das Verschieben der geschmolzenen Zone jedoch erst dann durchgeführt
werden soll, wenn der Stabquerschnitt vollkommen von der geschmolzenen Zone erfaßt
ist, so empfiehlt es sich, dann zur Erzeugung der Rotation des Stabes zwei getrennte
Antriebsmechanismen zu verwenden, von denen je einer an einem Stabende, angreift
und der eine mit einem Schlupf versehen ist, so daß das von ihm angetriebene Ende
bei noch nicht völlig durchgeschmolzenem Stabquerschnitt vom anderen Ende mitgenommen
wird. Die Glimmentladung wird zweckmäßigerweise in inertem Gas, z. B. in Wasserstoff,
erzeugt.
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Zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung kann eine Einrichtung
verwendet werden, wie sie in der Figur beispielsweise dargestellt ist. Die zur Erzeugung
der Glimmentladung verwendete Spannungsquelle und die zugehörigen Leitungen, welche
einerseits mit dem einen Ende des Halbleiterstabes, vorzugsweise über die Endhalterungen,
anderseits mit der Gegenelektrode zu verbinden sind, sowie die Kühlung der Gegenelektrode
sind in der Figur schematisch dargestellt.
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Der umzuschmelzende, beispielsweise aus Silizium oder Germanium bestehende
Halbleiterstab 1 ist an beiden Enden durch Muffen 2 und 3 gehaltert.
Die untere Muffe 2 wird über ein Vorgelege 4 von einem Motor 5 mit einer
Tourenzahl von einigen Umdrehungen pro Sekunde angetrieben. Die Drehrichtung ist
durch den Pfeil 6 angedeutet. Die obere Muffe 3 ist in zwei Kugellagern
7 und 8 gelagert, welche als Rutschkupplungen mit einer gewissen Reibung
ausgebildet sind. Durch die Kugellager 7 und 8 erfährt die Muffe
3
und das durch sie gehalterte obere Stabende einen besonderen Antrieb mit
einer von der unteren Muffe abweichenden Rotationsgeschwindigkeit. Der Drehsinn
ist der gleiche wie der der unteren Muffe und durch den Pfeil 9 angedeutet.
Ist der Stab noch nicht völlig durchgeschmolzen, so wird der obere Teil des Stabes
durch die Rotation des unteren Stabteils mitgenommen.
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Die Wärmeenergie zum Schmelzen der Zone wird durch eine Glimmentladung
bewirkt, welche vom Stab 1 zu einem als Gegenelektrode geschalteten Ring
11 aus Graphit übergeht. Durch die Drehung des Stabes 1, relativ zum
Ring 11, wird erreicht, daß die Glimmentladung gleichmäßig in allen Mantelstellen
der Zone 10 angreift, was bei einem relativ zur Oberfläche des Stabes ruhenden
Ring nicht möglich wäre. An sich könnte auch der Ring3 drehbar angeordnet sein.
Die beschriebene Möglichkeit hat jedoch den Vorteil der einfacheren Strom- und Spannungszuführung
sowie der einfachen Durchführung der Kühlung.
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Der Anodenring 11 befindet sich in einer Halterung, welche
die axiale Verschiebung des Ringes zum Stab erlaubt, wodurch die geschmolzene Zone
seitlich beliebig verschoben werden kann. An Stelle eines Ringes kann auch eine
Mehrzahl von Anoden vorgesehen sein. Der Ring 11 ist hohl ausgestaltet und
wird von Kühlwasser durchflossen.