DE1134658B - Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen - Google Patents

Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen

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DE1134658B
DE1134658B DES46475A DES0046475A DE1134658B DE 1134658 B DE1134658 B DE 1134658B DE S46475 A DES46475 A DE S46475A DE S0046475 A DES0046475 A DE S0046475A DE 1134658 B DE1134658 B DE 1134658B
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DE
Germany
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rod
zone
melting
ring
counter
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Pending
Application number
DES46475A
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English (en)
Inventor
Dr Theodor Rummel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Publication of DE1134658B publication Critical patent/DE1134658B/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B13/00Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting
    • C30B13/16Heating of the molten zone
    • C30B13/22Heating of the molten zone by irradiation or electric discharge

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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..
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (2)

  1. PATENTANSPRÜCHE.- 1. Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen von stabförmigen Halbleiterkörpem, dadurch gekennzeichnet, daß 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.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode ruht und der Stab um seine Achse gedreht wird, wobei zur Erzeugung der Rotation des Stabes zwei getrennte Antriebe an beiden Stabenden verwendet werden, von denen der eine mit dem Stabende über eine Rutschkupphing verbunden wird. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Gegenelektrode, ein den Stab konzentrisch umgebender Ring, beispielsweise aus Graphit, verwendet wird. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch aekennzeichnet, daß die Glimmentladung in inertem Gas, vorzugsweise in Wasserstoff, erzeugt wird. C In Betracht gezogene Druckschriften: österreichische Patentschrift Nr, 183 790; Zeitschrift f. Naturforschung, 1954, H. 1, S. 67.
DES46475A 1955-11-25 1955-11-25 Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen Pending DE1134658B (de)

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT183790B (de) * 1951-11-16 1955-11-10 Western Electric Co Verfahren zur Herstellung einer vorbestimmten Verteilung eines oder mehrerer Nebenbestandteile in einem schmelzbaren Körper

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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AT183790B (de) * 1951-11-16 1955-11-10 Western Electric Co Verfahren zur Herstellung einer vorbestimmten Verteilung eines oder mehrerer Nebenbestandteile in einem schmelzbaren Körper

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