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Verfahren zum Herstellen stabförmiger Siliciumeinkristalle mit einer
mittleren Versetzungsdichte durch tiegelloses Zonenschmelzen Das übliche tiegellose
Zonenschmelzen von Siliciumstäben liefert - auch wenn es unter Anwendung eines einkristallinen
Siliciumkeimes so durchgeführt wird, daß das Material aus der Schmelzzone einkristallin
erstarrt - im aLgemeinen ein stark mit Versetzungen versehenes Silicium. Die Versetzungsdichte
eines solchen Siliciums beträgt in der Regel erheblich mehr als 10 000 em-22. Andererseits
ist es bekannt, versetzungsfreies Silicium durch tiegelloses Zonenschmelzen zu erzeugen,
indem an dem Keimkristall durch Auseinanderziehen der zwischen dem Keimkristall
und dem umzuschmelzenden Stab erzeugten Schmelzzone unter Anwendung höherer Kristallisationsgeschwindigkeit
ein Auswandern der durch den Keimkristall bedingten Versetzungen nach der Oberfläche
des erstarrten Materials und damit ein »Absterben« der Versetzung erzwungen wird,
so da.ß ein mit der Schmelze in Berührung stehendes, versetzungsfreies Keimmaterial
entsteht, an welches das weiter aus der Schmelzzone auskristallisierende Silicium
ebenfall in versetzungsfreiem einkristallinem Zustand ankris.tallisiert. Dagegen
gelingt es nicht ohne weiteres, ein Silicium mit einer mittleren Versetzungsdichte,
z. B. von 2000 oder 3000 cm-' zu erhalten. Die Erfindung befaßt sich mit einem zur
Lösung dieser Aufgabe dienenden Verfahren.
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Es war ferner bekannt, beim tiegellosen Zonenschmelzen eines vertikal
gehalterten Siliciumstabes mittels einer kurzen Induktionsspule den Stab unterhalb
der Schmelzzone zu kühlen und oberhalb der Schmelzzone zusätzlich zu beheizen und
auf diese Weise die Schmelzzone gegenüber der Mittelebene der sie erzeugenden Induktionsspule
so weit nach oben zu verschieben, daß sich die Schmelzzone nur oberhalb der genannten
Mittelebene befindet. Hierdurch gelangt die Schmelzzone in einen zum Stützen günstigen
Bereich des Spulenfeldes, so daß aus dieser Maßnahme eine erhöhte Stabilität der
Schnelzzone resultiert.
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Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zum Herstellen stabförmiger
Siliciumeinkristalle mit einer mittleren Versetzungsdichte durch tiegelloses Zonenschmelzen
eines vertikal gehalterten, an der ersten Aufschmelzstelle mit einem einkristallinen
Siliciumkeim in Berührung gehaltenen Siliciumstabes, der während des Zonenschmelzens
an der einen Seite der durch direkte Induktion mittels einer Hochfrequenz durchflossenen
kurzen Induktionsspule erzeugten Schmelzzone zusätzlich gekühlt, an der anderen
Seite hingegen zusätzlich beheizt wird, so daß auch bei ruhender Schmelzzone diese
deutlich gegen die mittlere Querschnittsebene der die geschmolzene Zone erzeugenden
Induktionsspule verschoben ist.
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Gemäß der Erfindung wird die Nachbeheizung des Erstarrungsendes der
Schmelzzone des Siliciumstabes auf induktivem Wege mittels eines elektromagnetischen
Wechselfeldes mit mäßigem, insbesondere kleinem Skineffekt vorgenommen, dessen Amplitude
so groß bemessen ist, daß der radiale Temperaturgradient in dem nachbeheizten Teil
des Stabes mindestens bis auf eine solche Entfernung von der Schmelzzone, in der
die Temperatur des Stabteiles auf etwa 800° C abgenommen hat, verschwindet, daß
weiterhin der der Nachbeheizung unterworfene Stabteil in einer noch größeren Entfernung
von der Schmelzzone insbesondere zusätzlich gekühlt wird und daß schließlich die
Schmelzzone mit einer solchen Geschwindigkeit durch den Stab bewegt wird, daß ein
vollständiges Aufschmelzen des Stabes über seinem Querschnitt eintritt.
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Unter einem Wechselfeld mit nur mäßigem Skineffekt wird vorzugsweise
ein Wechselfeld verstanden, dessen Eindringtiefe mindestens gleich dem Radius des
umzuschmelzenden Siliciumstabes ist. Die Nqchbeheizung mit einem solchen Wechselfeld
soll sich über den auskristallisierten Stabteil so weit erstrecken,
daß
der noch plastisch deformierbare Bereich dieses Stabteiles sich noch vollständig
innerhalb der Nachheizzone befindet. Die Grenze der plastischen Deformation von
Silicium liegt bei etwa 800° C.
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Die Bildung von Versatzungen wird nicht vollständig unterdrückt, wenn
die Schmelzzone mit einer Geschwindigkeit von etwa 2 bis 7 mm/Min. durch den Stab
geführt wird. Wählt man sehr kleine, d. h. unterhalb von 2 min/Min. liegende Wandergeschwindigkeiten
der Schmelzzone, so wird zwar die Versetzungsbildung ebenfalls nicht unterdrückt;
derartige geringe Geschwindigkeiten bringen aber keinen zusätzlichen Gewinn, so
daß sich aus wirtschaftlichen Gründen die Anwendung derart kleiner Zonengeschwindigkeiten
nicht empfiehlt. Andererseits wird bei großen Zonengeschwindigkeiten die geschmolzene
Zone auch ohne besondere Maßnahmen (Heizer und Kühler) gegenüber der sie erzeugenden
Induktionsspule nachhinken, da an der Aufschmelzsteile Wärme verbraucht, an der
Erstarrungsstelle dagegen Wärme frei wird. Bei zu hohen Geschwindigkeiten (größer
als etwa 7 mm/Min.) hat man jedoch Schwierigkeiten, da dann der Querschnitt des
Stabes nicht mehr vollständig aufschmilzt.
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Kleine thermische Spannungen bedingen kleine Versetzungsgeschwindigkeiten,
d. h., die Geschwindigkeit, mit welcher sich die Versetzungen, die in dem bereits
auskristallisierten Silicium vorhanden, sind, in das neu zur Auskristallisierung
gelangende Silicium fortpflanzen, ist gering. Ist demgegenüber die Geschwindigkeit,
mit der die Erstarrungsfläche in die Schmelzzone hineinwächst, relativ hoch, so
können bei Abwesenweit von thermischen Verspannungen die Versetzungen zum Verschwinden
gebracht werden. Durch Anwendung einer ebenen, d. h. thermisch nicht verspannten
Erstarrungsfläche gelingt es, die Versetzungen in dem neu zur Auskristallisierung
gelangenden Material ,rasch zum Verschwinden zu bringen, so daß schließlich ein
versetzungsfreies Silicium an die Schmelzzone angrenzt. Da es jedoch unmöglich ist,
diese Bedingungen in einer Schmelzzone mit größerem Querschnitt zu realisieren,
wird bei der bekannten Herstellung von versetzungsfreiem Silicium eine sehr dünne
Schmelzzone mit nur einigen Millimetern Durchmesser verwendet. Erst wenn es gelungen
ist, die Versetzungen in, dem aus dieser dünnen Schmelzzone auskristallisierenden
Silicium zum Verschwinden zu bringen, kann man zu Schmelzzonen mit einem größeren
Durchmesser und auch zu langsameren Geschwindigkeiten der Kristallisationsfront
und damit der Schmelzzone übergehen. Trotz thermischer Verspannungen bilden sich
dann keine neuen Versetzungen, sofern man die Neubildung an »Keimen« ausschließt.
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Um die Versetzungsdichte indem auskristallisierenden Silicium auf
einen mittleren Wert, z. B. auf 3000 - cm-2 einzustellen, ist es erforderlich, die
durch das Anschmelzen des Keimkristalls bedingten Versetzungen in dem aus der Schmelzzone
auskristallisierenden Material nicht vollständig zum Absterben zu bringen, wie dies
bei der bekennten Methode zur Erzielung versetzungsfreien Siliciums der Fall ist.
Man muß jedoch andererseits dafür sorgen, daß die Anzahl der Versetzungen beschränkt
bleibt. Eine hierfür notwendige Grundforderung, nämlich die Kleinhaltung der thermischen
Spannungen des auskristallisierenden Siliciums, ist bereits bekannt und wurde beim
Zonenschmelzen im Tiegel dadurch angestrebt, indem der aus der Schmelzzone auskristallisierende
Staubteil durch Wärmeeinstrahlung nachbeheizt wurde. Bei einer Übertragung dieser
Maßnahme auf das tiegellose Zonenschmelzen hat sich jedoch herausgestellt, daß eine
Strahlungsbeheizung nicht in der Lage ist, die die Bildung von Versetzungen bei
Anwesenheit von die Bildung von Versetzungen ermöglichenden Keimen fördernden thermischen
Spannungen in dem erstarrenden Silicium in dem erforderlichen Ausmaß zu unterdrücken.
Infolgedessen wird beim tiegellosen Zonenschmelzen die Zahl der Versetzungen rasch
zunehmen, auch wenn das erstarrte Material durch Wärmestrahlung nachbeheizt wird.
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Dies hat folgenden Grund: Da eine frei getragene geschmolzene Zone
nur innerhalb einer beschränkten Länge existenzfähig ist, muß die als Wärmequelle
dienende Hochfrequenzspule sehr schmal bemessen werden. Infolgedessen wird das Erstarrungsende
der geschmolzenen Zone durch das Streufeld der Spule aufgeheizt. Dies führt zu einer
gegen die geschmolzene Zone konvex verlaufenden Erstarrungsfront. Infolgedessen
wird beim tiegellosen Zonenschmelzen die Zahl der Versetzungen rasch zunehmen, auch
wenn das erstarrte Material durch Wärmestrahlung nachbeheizt wird.
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Um das Verständnis für diese Verhältnisse zu vertiefen, wird auf die
Fig. 1 bis 3 hingewiesen.
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Fig. 1 zeigt den Verlauf der Erstarrungsfront beim Kristallziehen
aus einer in einem Tiegel gehalterten Schmelze, Fig. 2 die Erstarrungsfront beim
tiegellosen Zonenschmelzen mit einer durch Hochfrequenzinduktion beheizten Schmelzzone
und Fig.3 die gemäß der Erfindung anzustrebenden und erreichten Verhältnisse.
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Die Erstarrungsfront stellt sich ebenso wie der Verlauf der übrigen
Isothermen in der Schmelzzone und im auskristallisierten Stab im Gleichgewicht zwischen
der Wärmeableitung bzw. Abkühlung durch Strahlung sowie der Wärmeerzeugung ein,
wobei die Lokalisierung der Wärmeerzeugung von entscheidender Bedeutung ist. Beim
Kristallziehen aus dem Tiegel wirkt die Schmelze S, deren Größe im allgemeinen die
einer Schmelzzone beim tiegellosen Zonenschmelzen wesentlich übertrifft, als Wärmequelle,
während die Abkühlung teils durch Wärmeleitung über dem bereits gezogenen Kristall
K, teils durch Abstrahlung erfolgt. Dementsprechend muß sich in dem bereits gezogenen
Kristall K und dem angrenzenden Teil der Schmelze nicht nur ein axiales, sondern.
auch ein radiales Temperaturgefälle einstellen. Die Folge davon ist, daß, wie in
Fig. 1 dargestellt, die Erstarrungsfront konvex gegen den bereits erstarrten Teil
gekrümmt ist und mit ihrem Rand weiter als in der Mitte in die Schmelze hineinragt.
Beim Zonenschmelzen im Tiegel gilt das gleiche, weil der Tiegel im gleichen Sinne
wie eine Abstrahlung für ein bevorzugtes Erstarren der Schmelzzone in ihren Randteilen
sorgt. Infolgedessen kann in diesen Fällen durch entsprechendes Nachbeheizen des
bereits erstarrten Kristalls durch Wärmestrahlung die Erstarrungsfront abgeflacht
werden.
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Für das tiegellose Zonenschmelzen mit Hochfrequenzbeheizung sind die
Verhältnisse an der Erstarrungsfront aus der Fig. 2 ersichtlich. Die Hochfrequenzbeheizung
bedingt, däß die Quellen für den . Wärmefluß an der Oberfläche des zu beheizenden
Körpers,
also beim tiegellosen Zonenschmelzen an der Oberfläche der Schmelzzone S, sitzen.
Eine Beheizung durch Hochfrequenzinduktion wirkt also in dieser Beziehung analog
einer Beheizung mit Wärmestrahlung, die ebenfalls nur eine sehr geringe Eindringtiefe
besitzt. Die Erhitzung der im Innern gelegenen Teile der Schmelzzone S erfolgt durch
Wärmeabgabe von den durch die unmittelbare Induktion aufgeheizten äußeren Schichten
der Schmelzzone. Wenn nun die Erstarrungsfront in einer solchen Entfernung von der
Induktionsspule liegt, in der der Wärmefluß von außen nach innen, den nach außen
gerichteten Wärmefluß überwiegt, so kann die Erstarrungsfront nicht eben sein, sondern
sie muß, wie aus Fig. 2 ersichtlich, gegen die Schmelzzone konvex verkrümmt verlaufen.
Die Erfahrung hat gezeigt, daß dies bei symmetrischer oder nahezu symmetrischer
Lage einer noch frei tragbaren Schmelzzone zu der sie erzeugenden Induktionsspule
stets der Fall ist. Wenn auch bei normaler Beheizung der Schmelzzone in einer bestimmten,
von der Heizleistung abhängenden Entfernung der radiale Wärmefluß sein Vorzeichen
umkehrt, so ist diese Entfernung, die notwendig von der Größe der geschmolzenen
Zone abhängt, wesentlich größer als die Entfernung zwischen Wärmequelle und Erstarrungsfront
F, die man bei einer frei getragenen Schmelzzone erreichen kann, so daß sich das
Auftreten von konvex die geschmolzene Zone begrenzenden Erstarrungsflächen beim
normalen tiegellosen Zonenschmelzen erklärt. Eine Nachbeheizung des auskristallisierten
Stabteiles K durch Wärmestrahlung hätte also die Wirkung, daß die Erstarrungsfront
im Gegensatz zum Kristallziehen aus dem Tiegel nicht abgeflacht, sondern - im Gegensatz
- die Krümmung der Erstarrungsfläche verstärkt wird.
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Die erfindungsgemäßen Maßnahmen stellen jedoch den Zustand vollständiger
Spannungsfreiheit des auskristallisierenden Siliciums sicher. Bei diesem Verfahren
wird der aus der geschmolzenen Zone auskristallisierende Stabteil während des Zonenschmelzens
durch ein elektromagnetisches Wechselfeld mit niedriger Frequenz und deshalb mit
mäßigem oder geringem Skineffekt durch direkte Induktion nachbeheizt. Dieses Feld
dringt bei entsprechend niedriger Frequenz tief in den Stab ein. Die Frequenz dieses
Feldes wird entsprechend der Lehre der Erfindung so gewählt, daß seine Eindringtiefe
mindestens gleich dem Radius des umzuschmelzenden Stabes ist.
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Zur Erzielung einer ebenen Erstarrungsfläche F ist nämlich erforderlich,
die Dichte der Wärmequellen im Innern des auskristallisierten Stabes K und der Schmelzzone
an der Erstarrungsfront F im Vergleich zu der Dichte der Wärmequellen an der Oberfläche
zu erhöhen, denn dadurch wird der radial nach innen gerichtete Wärmefluß verringert,
was sich in einer Verflachung der Kristallisationsfläche F äußern muß. Da es jedoch
nicht möglich ist, die Dichteverschiebung der Wärmequellen so einzustellen, da.ß
der radiale Temperaturfluß an der Erstarrungsfläche F vollständig zum Verschwinden
kommt, muß außerdem die Schmelzzone aus ihrer symmetrischen Lage zur Heizspule Sp
herausgeschoben werden, so daß sich die Erstarrungsfront F nicht mehr im unmittelbaren
Streubereich des Feldes der Spule Sp befindet. Dies geschieht gemäß der Erfindung
dadurch, indem der auskristallisierte Stabteil mittels eines Feldes hoher Eindringtiefe
nachbeheizt, der aufzuschmelzende Stabteil dagegen gekühlt wird.
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Die dann auftretenden Verhältnisse sind in Fig. 3 dargestellt. Die
Entfernung der Erstarrungsfläche F von der die geschmolzene Zone erzeugenden Hochfrequenzspule
Sp ist vergrößert, obgleich sich die Länge der geschmolzenen Zone gegenüber dem
in Fig. 2 dargestellten Fall nicht vergrößert hat. Der radiale Wärnefluß, der sich
im Gleichgewicht zwischen Abstrahlung und Einstrahlung durch das . Induktionsfeld
ergibt, ist praktisch verschwunden. Dies ist stets dann der Fall, wenn die Amplitude
des zur Nachbeheizung des auskristallisierten Stabteiles verwendeten elektromagnetischen
Feldes so gewählt ist, daß sich die Erstarrungsfront F um mindestens 30 % des Durchmessers
des umzuschmelzenden Stabes weiter von der Hochfrequenzspule entfernt hat, als dies
bei symmetrischer Anordnung der Schmelzzone zur Induktionsspule Sp der Fall wäre.
Die Anwendung wesentlich größerer Stärken des Nachbeheizungsfeldes empfiehlt sich
mit Rücksicht auf die Größe der Schmelzzone nicht. Dem entspricht es, daß bei einem
Stab von etwa 7 mm Durchmesser der Abstand von Hochfrequerzspule Sp und Erstarrungsfront
F etwa 3 mm größer -sein sollte als bei symmetrischer Verteilung der Schmelzzone
zur Induktionsspule. Die Zone hinkt also gegenüber der sie erzeugenden Schmelzzone
um etwa 3 mm hintendrein.
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Für die Eindringtiefe ;, eines elektromagnetischen Wechselfeldes gilt
in Abhängigkeit von der Frequenz f die Näherungsbeziehung
wobei o der spezifische Widerstand (52 - m) ist. (Für festes Silicium in Schmelzpunktnähe
beträgt der spezifische Widerstand etwa 3,5 - 10-5 S. - cm.) Soll die Eindringtiefe
i mindestens gleich dem Radius des umzuschmelzenden Stabes sein, so darf die Frequenz
f höchstens gleich
gewählt werden, wobei o den spezifischen Widerstand festen Siliciums am Schmelzpunkt
bedeutet.
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Unter diesen Bedingungen sinkt die entwickelte Joulsche Wärme an der
Stabachse gegenüber der an der Oberfläche des Stabes entstehenden Wärme nur mäßig
ab. Dieses Absinken kann dadurch noch kleiner gemacht werden, indem die Frequenz
des angelegten Wechselfeldes so bemessen wird, daß die Eindringtiefe gleich dem
Stabdurchmesser oder gar einem Mehrfachen des Stabdurchmessers gewählt wird.
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Durch die erfindungsgemäße Beheizung,- die mit schwachem Skineffekt
arbeitet, wird somit einerseits sichergestellt, daß Wärmequellen im Innern des nachbeheizten
Stabteiles in praktisch der gleichen Dichte als an der Oberfläche des Stabes vorhanden
sind, während bei einer Strahlung sbeheizung die Wärmequellen ausschließlich an
der Oberfläche des nachbeheizten Stabteiles sitzen.
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Das zur Nachbehandlung des auskristallisierenden Stabteiles dienende
Wechselfeld wird von einer diesen Stabteil konzentrisch umgebenden, mit niederfrequentem
Wechselstrom betriebenen Induktionsspule mit
einer die die der Hochüequenzspule
Sp wesentlich übertreffenden Länge erzeugt. Um die Strahlungsverluste und damit
die zur Nachbeheizung benötigte Leistung möglichst klein zu halten, empfiehlt es
sich außerdem, , einen den nachzubeheizenden Stabteil konzentrisch umschließenden,
wärmereflektierenden Schirm anzuwenden, der, wenn er mit einem durchgehenden Längsschlitz
versehen ist, auch innerhalb der zur Nachbeheizung dienenden Induktionsspule angeordnet
sein kann. Die Amplitude des zur Nachbeheizung dienenden Wechselfeldes wird durch
die Stärke des diese Induktionsspule durchfließenden Wechselstromes bestimmt. Diese
Amplitude soll so gewählt sein, daß der radiale Temperaturgradient in dem nachbeheizten
Teil des Stabes verschwindet.
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Die richtige Einstellung der Amplitude dieses nachbeheizenden Wechselfeldes
läßt sich am einfachsten an Hand der in der Fig. 4 dargestellten Anordnung erläutern.
Der vertikal gehalterte Siliciumstab 1 ist durch eine mit Hochfrequenzstrom betriebene
kurze Induktionsspule 2, die ihn konzentrisch umgibt, an seinem unteren Ende aufgeschmolzen
und die entstandene Schmelzzone 3 mit einem einkristallinen Siliciumkeim 4 (z. B.
in [111]-Orientierung zur Schmelzzonenachse) in Berührung gebracht. Die Länge des
Keimkristalls 4 beträgt zweckmäßig ein Mehrfaches der Länge der Schmelzzone 3. Die
zur Beheizung der Schmelzzone verwendete Hochfrequenzleistung soll so hoch gewählt
sein, daß trotz der Kühlung des Stabes 1 die später durch den Stab zu führende Schmelzzone
den Stab bei der anzuwendenden Wandergeschwindigkeit der Schmelzzone, also bei einer
Geschwindigkeit von etwa 2 bis 7 nun/Min. vollständig aufschmilzt, daß aber andererseits
die Menge an geschmolzenem Material die Grenze der mechanischen Stabilität nicht
überschreitet. Um einen günstigen Wirkungsgrad der Beheizung zu erhalten, wird die
Induktionsspule 2 mit Strömen im Bereich von 1 bis 6 MHz betrieben.
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Der Keimkristall 4 wird von einer Induktionsspule 5, deren Höhe die
der Schmelzzone zweckmäßigerweise übertrifft, konzentrisch umgeben. Diese Spule
liegt an einer Wechselstromquelle von etwa 5 bis 20 000 Hz. Die Eindringtiefe ist
dann auf jeden Fall wesentlich größer als der Radius des zu behandelnden Siliciumstabes.
In unmittelbarer Nähe des unteren Endes der Induktionsspule 5 befindet sich eine
Kühlvorrichtung 6, die so bemessen ist, daß der Keimkristall 4 in ihrem Einflußbereich
weit unter 800° C gekühlt wird. Der Einfluß dieser Kühlung soll sich noch etwas
in dem von der Induktionsspule 5 umschlossenen Bereich des Stabteiles 4 erstrecken.
Die Kühlvorrichtung 6 besteht zweckmäßigerweise aus einem mit Kühlwasser durchströmten,
den Stab bzw. den Keimkristall 4 konzentrisch umschließenden Rohr. Der noch nicht
aufgeschmolzene Stab 1
ist, nicht weit von der geschmolzenen Zone 3, ebenfalls
von einer ähnlichen Kühlvorrichtung 7 umgeben.
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Wenn nun während der Erzeugung der Schmelzzone durch Inbetriebnahme
der Hochfrequenzspule 2 die Kühlvorrichtungen 6 und 7 eingeschaltet sind, so wird
bei deren gleich starken Wirkung die Schmelzzone bereits eine unsymmetrische Lage
zu der sie erzeugenden Induktionsspule 2 annehmen. Wird nun die Niederfrequenz der
Spule 5 eingeschaltet, so verschiebt sich die geschmolzene Zone zwangläufig in Richtung
des. zusätzlich beheizten Keimkristalls 4, und zwar um so stärker, je stärker der
Strom durch diese Spule 4 wird. Gleichzeitig vergrößert sich die Länge der Schmelzzone,
so daß gegebenenfalls eine Verminderung der von der Spule 2 erzeugten Heizleistung
angebracht sein kann. Die Stromstärke in der Spule 4 sowie die Kühlungen und die
Heizleistung der Spule 2 sind richtig eingestellt, wenn sich die Kristallisationsgrenze
an der Erstarrungsseite, also der dem Keimkristall zugewandten Seite der Schmelzzone
3, z. B. bei einem Stabdurchmesser von 7 mm, in einer Entfernung von etwa 5 mm von
dem ihr nächsten Rand der Induktionsspule 2 befindet.
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Unter diesen Bedingungen verschwindet der radiale Temperaturgradient
in dieser Rekristallisationszone vollständig, so daß beim Erstarren auch in ihr
keine thermischen Verspannungen auftreten können. Da sich die Nachbeheizung auf
das Gebiet des Keimkristalls bis unmittelbar vor der Kühlvorrichtung 6 erstreckt,
liegt die Isotherme 800° C (also die Isotherme der beginnenden Plastizität von Silicium)
noch in dem von der Induktionsspule 5 umgebenen Teil des Keimkristalls 4 bzw. des
aus der Schmelzzone am Keimkristall ankristallisierten Siliciums. Die verhältnismäßig
lange, mit niederfrequentem Wechselstrom betriebene Spule sichert außerdem eine
gleichmäßige Beheizung des Keimes bzw. des aus der geschmolzenen Zone entstehenden
Stabteiles bis unmittelbar kurz vor der Kühlvorrichtung 6, so daß das auskristallisierte
Material bis kurz vor dem Erreichen der Kühlvorrichtung 6 in seinen einzelnen Querschnittsebenen
homogen erhitzt wird.
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Nachdem die geschmolzene Zone in der beschriebenen Weise bei ruhenden
Induktionsspulen und Kühlvorrichtungen eingestellt ist, wird das System der Induktionsspulen
und Kühlvorrichtungen relativ zum Stab so verschoben, daß die geschmolzene Zone
in, den Stab 1 hineinwandert und ihre Länge sowie ihre Lage relativ zu der Induktionsspule
2 unverändert beibehält. Aus diesem Grunde muß der gegenseitige Abstand zwischen
Kühlvorrichtungen und Induktionsspulen unverändert bleiben. Die Maximalgeschwindigkeit
beträgt erfahrungsgemäß etwa 7 mm/Min.
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Wenn das Zonenschmelzen in der beschriebenen Weise durchgeführt wird
und der Keimkristall an der Grenze zur Schmelzzone keine Versetzungen oder die Entstehung
von Versetzungen fördernden Keime aufweisen würde, so wäre bei Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wegen der Spannungsfreiheit des auskristallisierenden Siliciums auch
die Versetzungsfreiheit in diesem Material garantiert. Nun ist es aber, wie bereits
bemerkt, nur dann möglich, versetzungsfreies Silicium zu erhalten, das als Keimkristall
für eine weitere Auskristallisierung von versetzungsfreiem Silicium aus der Schmelzzone
3 geeignet wäre, wenn, unter Beibehaltung einer ebenen Kristallisationsfront mit
homogener Temperatur die Wandergeschwindigkeit der Kristallisationsfront größer
als etwa 10 mm/Min. gewählt wird, was sich, wie bereits bemerkt, nur bei sehr dünnen
geschmolzenen Zonen realisieren läßt. Bei den mäßigen Wandergeschwindigkeiten der
Schmelzzone, die bei dem vorliegenden Verfahren angewendet werden sollen, ist jedoch
die Entstehung eines versetzungsfreien Materials nicht zu erwarten.
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Man kann mit der geschilderten Methode den radialen Temperaturgradienten
vermindern, jedoch nicht völlig ausschalten. Bei der Abkühlung führen diese radialen
Temperaturgradienten zu inneren
Spannungen. Da genügend Versetzungen
von vornherein da sind, werden diese inneren Spannungen weitgehend durch plastische
Deformation aufgenommen. Es bildet sich aber unabhängig von der im Keimkristall
vorhandenen Versetzungsdichte nach einigen Zentimetern in dem auskristallisierten
Material eine Art Gleichgewichtsversetzungsdichte. Diese Gleichgewichtsversetzung
ist jedoch bei Anwendung der bereits geschilderten Maßnahmen relativ gering. Die
bei Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen erzielte Versetzungsdichte liegt weitaus
unter 10 000 cm-2.
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Es ist zu erwarten, daß diese Gleichgewichtsversetzungsdichte von
der Wandergeschwindigkeit der geschmolzenen Zone abhängt, so daß größere Wandergeschwindigkeiten
zu niedrigeren Versetzungsdichten als geringere Wandergeschwindigkeiten führen.
So wurde z. B. beobachtet, daß sich die Versetzungsdichte bei Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens und bei einer Wandergeschwindigkeit von 4 mm/Min. auf etwa 4000 cm-2
einstellt, während die Versetzungsdichte, die man bei 6 mm/Min. erhält, bereits
merklich geringer ist.
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In Ergänzung zur Fig. 4 wird noch folgendes ausgeführt: Die Induktionsspule
kann z. B., wie in der Figur angedeutet, in der Schmelzzone 3 enger als in der Nähe
der Kühlvorrichtung 6 gewickelt sein, um den axialen Temperaturgradienten (der im
Gegensatz zum radialen Temperaturgradienten keine Verspannungen des auskristallisierenden
Siliciums verursacht) zu verstärken und damit die Abkühlgeschwindigkeit zu erhöhen.
Der Schirm 8 besteht aus einem hitzebeständigen Zylinder aus schwerschmelzbarem
Metall mit spiegelnder Innenwand und ist mindestens längs einer Mantellinie aufgeschlitzt,
wenn sich, wie in der Figur, der Schirm innerhalb der Induktionsspule 5 befindet.
Die Oberflächenbeheizung durch Niederfrequenz ist gegenüber dem Strahlungsschirm
8 wärmemäßig so abgestimmt, daß kein oberflächlicher Wärmestrom in den nachbeheizten
Teil eintritt und lediglich ein axialer Temperaturgradient in Richtung auf den Kühler
6 vorhanden ist.
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Bei der in der Fig. 4 dargestellten Anordnung befindet sich der aufzuschmelzende
Stab 1 oberhalb, der auskristallisierte Stab 4 bzw. der Keimkristall unterhalb der
Schmelzzone 3. Die geschmolzene Zone 3 wird also von unten nach oben durch den Stab
1 geführt. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß das niederfrequente Wechselfeld
der Spule 5 gleichzeitig die Schmelzzone stützt. (Die Stützung bei Niederfrequenz
ist bei gleicher Netzleistung besser als die bei Hochfrequenz.) Bei umgekehrter
Anordnung findet zwar eine Stützung durch das Feld der Induktionsspule 2 statt.
Wenn man jedoch bedenkt, daß man die Heizspule 2 deswegen mit Hochfrequenzstrom
betreibt, um eine hohe Heizwirkung bei verhältnismäßig geringer Feldamplitude zu
erreichen, so wird die Stützwirkung der Heizspule im allgemeinen nur gering sein.
Die spezifische, durch die Spule 5 erzeugte Heizleistung ist zwar merklich geringer
als die der Hochfrequenzspule 2; die Kraftwirkung des durch die Spule 5 erzeugten
Feldes auf die Schmelzzone kann aber, vor allem, wenn die Spule 5 eine wesentlich
größere Anzahl von Windungen aufweist als die Spule 2, erheblich stärker als die
der Hochfrequenzspule 2 werden. Es empfiehlt sich deshalb, die Schmelzzone von unten
nach oben durch den Stab zu führen, da ein Arbeiten mit der umgekehrten Wanderrichtung,
das an sich möglich ist, eine starke Ausbauchung der Schmelzzone hervorrufen würde.