DE1147206B - Verfahren zum Herstellen stabfoermiger Siliciumeinkristalle mit einer mittleren Versetzungsdichte durch tiegelloses Zonenschmelzen - Google Patents

Verfahren zum Herstellen stabfoermiger Siliciumeinkristalle mit einer mittleren Versetzungsdichte durch tiegelloses Zonenschmelzen

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DE1147206B
DE1147206B DES76135A DES0076135A DE1147206B DE 1147206 B DE1147206 B DE 1147206B DE S76135 A DES76135 A DE S76135A DE S0076135 A DES0076135 A DE S0076135A DE 1147206 B DE1147206 B DE 1147206B
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melting zone
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    • 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
    • C30B13/28Controlling or regulating

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Um das Verständnis für diese Verhältnisse zu vertiefen, wird auf die Fig. 1 bis 3 hingewiesen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (7)

  1. PATE IIITANS PRÜCH E 1. Verfahren zum Herstellen stabförmiger Siliciumeinkristalle mit einer mittleren Versetzungsdichte durch riegelloses 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, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabteil in einem an die Schmelzzone unmittelbar angrenzenden Bereich, wo die Schmelze erstarrt, auf induktivem Wege mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes mit mäßigem, insbesondere kleinem Skineffekt nachbeheizt wird, 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 dann zusätzlich gekühlt wird und daß die Schmelzzone mit solcher Geschwindigkeit durch den Stab bewegt wird, daß ein vollständiges Aufschmelzen des Stabes über seinen Querschnitt eintritt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des zur Nachbeheizung verwendeten Wechselfeldes mindestens so klein gewählt wird, daß die Eindringtiefe in den nachbeheizten Siliciumstab mindestens gleich dessen Radius, vorzugsweise mindestens gleich dessen Durchmesser ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzzone durch eine Hochfrequenzspule von etwa 1 bis 6 MHz erhitzt wird und die Nachbeheizung mittels einer Niederfrequenzquelle von etwa 5 bis 20 000 Hz vorgenommen wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzzone von unten nach oben durch den Siliciumstab geführt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des zur Nachbeheizung dienenden Feldes so eingestellt wird, daß sich die Erstarrungsfront der Schmelzzone im Gleichgewicht mit der Kühlung des aufzuschmelzenden Stabteiles um mindestens 30% des Durchmessers der Schmelzzone weiter von dem ihr zugewandten Rand der die Schmelzzone erzeugenden Hochfrequenzspule (2, Sp) entfernt ist, als dies bei symmetrischer Anordnung der Schmelzzone zu der Induktionsspule (2, Sp) der Fall wäre.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daB die Kühlung des auskristallisierten Stabteiles unmittelbar anschließend an die Nachbeheizungszone vorzugsweise ein Mehrfaches der Länge der zur Erzeugung der Schmelzzone dienenden Hochfrequenzspule (2, Sp) besitzende Nachheizspule (5) erfolgt, wobei die zur Erzeugung der Nachheizung dienende Spule (5) -ein Mehrfaches der Länge der Hochfrequenzspule für die Erzeugung der Schmelzzone besitzt.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der nachzubeheizende Stabteil von einem mindestens über die Länge der zur Nachbeheizung dienenden Irlduktionsspule erstreckenden Schirm mit wärme.. reflektierenden Wänden konzentrisch umgeben wird.
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DES76135A Pending DE1147206B (de) 1961-10-02 1961-10-02 Verfahren zum Herstellen stabfoermiger Siliciumeinkristalle mit einer mittleren Versetzungsdichte durch tiegelloses Zonenschmelzen

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1243642B (de) * 1963-04-27 1967-07-06 Siemens Ag Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterial
DE1262978B (de) * 1965-01-05 1968-03-14 Siemens Ag Verfahren zum Herstellen eines Halbleitereinkristalls
DE1275996B (de) * 1965-07-10 1968-08-29 Siemens Ag Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen

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