DE1161043B - Verfahren und Vorrichtung zur Verkleinerung des Querschnittes eines Halbleiterstabesdurch tiegelfreies Zonenschmelzen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Verkleinerung des Querschnittes eines Halbleiterstabesdurch tiegelfreies Zonenschmelzen

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DE1161043B
DE1161043B DES64915A DES0064915A DE1161043B DE 1161043 B DE1161043 B DE 1161043B DE S64915 A DES64915 A DE S64915A DE S0064915 A DES0064915 A DE S0064915A DE 1161043 B DE1161043 B DE 1161043B
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Germany
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rod
rod part
heating coil
thinner
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DES64915A
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English (en)
Inventor
Dr Rer Nat Wolfgang Keller
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Publication of DE1161043B publication Critical patent/DE1161043B/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • C30B13/28Controlling or regulating
    • C30B13/30Stabilisation or shape controlling of the molten zone, e.g. by concentrators, by electromagnetic fields; Controlling the section of the crystal

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Induction Heating (AREA)

Description

  • Verfahren und Vorrichtung zur Verkleinerung des Querschnittes eines Halbleiterstabes durch tiegelfreies Zonenschmelzen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verkleinerung des Querschnittes eines Halbleiterstabes durch tiegelfreies Zonenschmelzen, bei dem eine von einem Hochfrequenzgenerator gespeiste, den an seinen Enden gehalterten, lotrecht stehenden Halbleiterstab ringförmig umgebende Induktionsspule eine Schmelzzone erzeugt und der Abstand der Stabhalterungen voneinander vergrößert wird. Erfindungsgemäß wird in unmittelbarer Nähe der Schmelzzone die Wärmestrahlung des dünneren Stabteiles bestimmt und durch Vergleich mit einem Sollwert zur selbsttätigen Rückführung des Durchmessers des dünneren Stabteiles auf einen gewünschten Wert verwendet. Zweckmäßigerweise wird die Wärmestrahlung mit Hilfe von Thermoelementen als elektrische Spannung dargestellt und als Sollwertgeber eine einstellbare elektrische Spannungsquelle verwendet.
  • Es ist bereits ein Verfahren zur Behandlung eines Halbleiterstabes durch tiegelfreies Zonenschmelzen bekanntgeworden (siehe z. B. französische Patentschrift 1107 076), bei dem die an den Stabenden angreifenden Stabhalterungen in Richtung der Stabachse bewegt werden, um den Querschnitt des Stabes zu verändern, insbesondere um ihn zu vergleichmäßigen. Hierbei sind die Stabenden durch natürliche Wärmeableitung ins Gehäuse der Zonenschmelzeinrichtung gekühlt.
  • Die Erfindung bezieht sich auf die Verkleinerung des Querschnittes eines Halbleiterstabes, und zwar um die Verkleinerung des Querschnitts im Maßstab von etwa einer Zehnerpotenz oder mehr. Für verschiedene Zwecke werden Halbleiterstäbe sehr geringen Querschnitts benötigt, während das Material für gewöhnlich in größeren Stärken anfällt. So wird z. B. nach einem früheren Vorschlag Halbleitermaterial dadurch gewonnen, daß es durch chemische Zersetzung aus einer gasförmigen Verbindung dargestellt und auf einem dünnen Faden, z. B. von 2 bis 5 mm Durchmesser, desselben Materials niedergeschlagen wird. Dieses Verfahren wird so lange fortgesetzt, bis der ursprüngliche Faden und das niedergeschlagene Material zusammen einen Halbleiterstab der üblichen Stärke (10 bis 20 mm Durchmesser) bilden, der sich leicht dem bekannten Zonenschmelzverfahren unterwerfen läßt. Die Gewinnung solcher fadendünnen »Seelen« bietet verschiedene Schwierigkeiten. Deren Beseitigung ist eines der Ziele des erfindungsgemäßen Verfahrens. Insbesondere soll durch einen selbsttätigen Ablauf des Verfahrens für eine Vergleichmäßigung der Erzeugnisse gesorgt werden. Auch für andere Zwecke, z. B. als Impfling für das Einkristallzüchten, werden dünnere Halbleiterstäbe benötigt.
  • An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. In F i g. 1 ist der Bereich des Halbleiterstabes dargestellt, in dem die Verkleinerung des Querschnitts vorgenommen wird; F i g. 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele von Anordnungen, mit deren Hilfe das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
  • F i g. 1 zeigt den dickeren Stabteil 2 und den dünneren Stabteil 3 und den dazwischenliegenden übergang 4, der. durch die Schmelzzone gebildet wird. Diese Schmelzzone wird mit Hilfe einer Induktionsspule 5, zweckmäßigerweise einer Flachspule, die aus innen gekühlten Rohren besteht, erzeugt. Ein kleiner Metallzylinder 6 umgibt in unmittelbarer Nähe der Schmelzzone den dünneren Stabteil3. Er ist an seinem oberen, der Schmelzzone abgewandten Ende durch eine Kühlschlange 7 gekühlt, während sich an seinem unteren Ende verschiedene Thermoelemente 8 befinden. Zwecks Abschirmung des Metallteiles 6 gegen Erwärmung durch die Induktionsspule 5 kann ein zweiter Metallzylinder mit geringem Abstand um den Metallteil 6 herumgelegt und ebenfalls gekühlt sein.
  • In F i g. 2 wurden für gleiche Teile gleiche Bezeichnungen gewählt. Die Anordnung wird vervollständigt durch eine Kapazität 9, mit deren Hilfe der Blindstrom der Heizspule 5 auskompensiert wird, einen Hochfrequenzgenerator 10, der zur Speisung der Induktionsspule 5 dient, eine Einrichtung 11, die den dickeren Stabteil2 relativ zur Heizspule nach oben bewegt, eine Einrichtung 12, die den dünneren Stabteil3 ebenfalls relativ zur Heizspule nach oben, aber mit einer dem verminderten Querschnitt entsprechenden vergrößerten Geschwindigkeit bewegt, eine Meßbrücke 13, in der die Meßspannung der Thermoelemente 8 mit einem Sollwert verglichen wird, und einen Sollwertgeber 14, der z. B. aus einer einstellbaren Spannungsquelle bestehen kann. Im Falle einer anderen Art der Temperaturmessung muß eine entsprechende andere Art des Sollwertes aufgeschaltet werden. Der Hochfrequenzgenerator 10 arbeitet zweckmäßigerweise auf der Flanke des durch die Heizspule 5 und die Kapazität 9 gebildeten Schwingkreises (Heizkreis).
  • Die Wirkungsweise der Anordnung gemäß F i g. 2 ist folgende: Der unmittelbar an die Schmelzzone -1 angrenzende Teil des dünneren Stabteiles 3 befindet sich noch auf erhöhter Temperatur und erwärmt den Metallzylinder 6 durch Strahlung. Nach kurzer Zeit stellt sich das Gleichgewicht zwischen der Wärmezufuhr durch Strahlung und der Kühlung durch die Kühleinrichtung 7 ein. Die Thermoelemente 8 bzw. andere Temperaturmeßgeräte messen die Temperatur am unteren Ende des Metallzylinders 6 und registrieren somit sofort jegliche Abweichung der Temperatur von einem gewünschten Sollwert. Diese Abweichung der Temperatur von ihrem Sollwert kann nur durch Vergrößerung der Oberfläche des dünneren Stabteiles 3, d. h. durch Vergrößerung des Querschnitts dieses Stabteiles bewirkt werden. Da die Oberfläche dem Durchmesser proportional ist, ist auch der Temperaturanstieg bzw. -abfall dem Durchmesser des dünneren Stabteiles 3 proportional.
  • Der Hochfrequenzgenerator 10 arbeitet mit konstanter Frequenz. Abweichungen des Anodenstromes von einem bestimmten Sollwert werden durch Veränderung der Bewegungsgeschwindigkeit der unteren Stabhalterung 11a beseitigt. Dies kann z. B. so durchgeführt werden, daß ein durch den Anodenstrom hervorgerufener Spannungsabfall an einem Widerstand mit einem Sollwert verglichen und über ein gepoltes Relais zur Aufschaltung einer in Größe und Richtung variablen Zusatzspannung auf den Antriebsmotor der Einrichtung 11 verwendet wird. Durch die schnellere bzw. weniger schnelle Zufuhr des dickeren Stabteiles 2 zur Heizspule 5 wird die Ankopplung der Schmelzzone 4 an die Heizspule und damit auch der Anodenstrom verändert. Hierdurch wird die zugeführte Leistung des Heizkreises konstant gehalten. Die Leitung 15 soll die Beeinflußbarkeit der Einrichtung 11 durch den Anodenstrom des Hochfrequenzgenerators 10 symbolisieren.
  • Ähnlich wird eine Abweichung der an dem unteren Ende des Metallzylinders 6 gemessenen Temperatur von ihrem Sollwert über die Leitung 16 zur Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit der oberen Stabhalterung 12a verwendet. Durch entsprechende Polung läßt sich erreichen, daß bei zu großem Durchmesser des dünneren Stabteiles 3 eine Vergrößerung der Bewegungsgeschwindigkeit und bei zu kleinem Durchmesser eine Verminderung der Geschwindigkeit bewirkt wird. Dies führt dazu, daß der Durchmesser des dünneren Stabteiles 3 stets auf seinen Sollwert zurückgeführt wird.
  • In F i g. 3 wurden wiederum die gleichen Bezeichnungen wie in F i g. 2 gewählt. Auch die Wirkungsweise der Anordnung ist derjenigen der F i g. 2 ähnlich. Der Unterschied besteht in dem Wegfall der Leitung 16, wodurch die Beeinflussung der Einrichtung 12 und damit der Bewegungsgeschwindigkeit der oberen Stabhalterung 12a ebenfalls wegfällt. Statt dessen ist eine Leitung 17 eingeführt, mit deren Hilfe bei einem Abweichen der Temperatur des Metallzylinders 6 von dem Sollwert eine Änderung der Frequcnz des Hochfrequenzgenerators 10 vorgenommen wird. Dies führt bei konstanter Geschwindigkeit der oberen Stabhalterung 12a über eine Änderung der Geschwindigkeit der unteren Stabhalterung 11 a zu einer Änderung des Durchmessers des oberen Stabteiles 3. Der Anodenstrom und damit die Heizleistung wird in der vorbeschriebenen Weise durch Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit der unteren Stabhalterung 11 a konstant gehalten.
  • Man kann auch die Rückführung des Anodenstromes durch Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit der unteren Stabhalterung 11a wegfallen lassen, womit auch die Leitung 15 entfällt. In diesem Falle werden die Stabhalterungen mit konstanten Geschwindigkeiten entsprechend dem gewünschten Querschnittsunterschied bewegt. Abweichungen des Durchmessers des dünneren Stabteiles 3 führen nun über Temperaturänderungen zu einer Änderung der Frequenz des Hochfrequenzgenerators 10 und damit zu einer Leistungsänderung an der Heizspule, wodurch die Rückführung des Durchmessers des dünneren Stabteiles 3 auf seinen Sollwert bewirkt werden kann. Diese Regelung führt allerdings nur bei geringeren Abweichungen vom Sollwert zum Ziel.
  • Eine weitere Möglichkeit ergibt sich durch Regelung der Bewegung der unteren Stabhalterung 11 a bei konstanter Generatorfrequenz und konstanter Geschwindigkeit der oberen Stabhalterung 12a, d. h. also durch eine Leistungsänderung der Heizspule 5. Bei dem Gerät gemäß der F i g. 3 müßten dann die Kommandoleitungen 15 und 17 entfallen, und es müßte statt dessen eine direkte Beeinflussung der Einrichtung 11 durch die Meßbrücke 13 über eine neu einzuführende Kommandoleitung erfolgen.
  • Der Halbleiterstab sowie die Teile des Heizkreises und der Metallzylinder 6, gegebenenfalls auch andere Teile des Gerätes, können innerhalb eines Rezipienten angeordnet und dieser mit den übrigen Teilen auf einem gemeinsamen Traggestell transportabel zusammengebaut sein.

Claims (9)

  1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Verkleinerung des Querschnitts eines Halbleiterstabes durch tiegelfreies Zonenschmelzen, bei dem eine von einem Hochfrequenzgenerator gespeiste, den an seinen Enden gehalterten, lotrecht stehenden Halbleiterstab ringförmig umgebende Induktionsspule (Heizspule) eine Schmelzzone erzeugt und der Abstand der Stabhalterungen voneinander vergrößert wird, dadurch gekennzeichnet, daß in unmittelbarer Nähe der Schmelzzone die Wärmestrahlung des dünneren Stabteiles bestimmt und durch Vergleich mit einem Sollwert zur selbsttätigen Rückführung des Durchmessers des dünneren Stabteiles auf einen gewünschten Wert verwendet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmestrahlung mit Hilfe von Thermoelementen (8) als elektrische Spannung dargestellt und als Sollwertgeber (14) eine einstellbare elektrische Spannungsquelle verwendet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Heizspule eingespeiste elektrische Leistung konstant gehalten und die Rückführung des Durchmessers des dünneren Stabteiles (3) auf den gewünschten Wert, durch Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit der an dem dünneren Stabteil angreifenden Stabhalterung (12n) relativ zur Heizspule (5) bewirkt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Blindstrom der Heizspule (5) mit Hilfe einer parallel geschalteten Kapazität (9) auskompensiert wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung, die in den aus der Heizspule und der parallel geschalteten Kapazität bestehenden Schwingkreis eingespeist wird, dadurch konstant gehalten wird, daß der Hochfrequenzgenerator (10) mit konstanter Frequenz arbeitet und sein Anodenstrom durch Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit der an dem dünneren Stabteil (3) angreifenden Halterungen (12a) relativ zur Heizspule (5) auf einen gewünschten Wert zurückgeführt wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsgeschwindigkeit der an dem dünneren Stabteil angreifenden Stabhalterung relativ zur Heizspule konstant gehalten und die Rückführung des Durchmessers des dünneren Stabteiles auf den gewünschten Wert durch Änderung der Frequenz des Hochfrequenzgenerators bewirkt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenstrom des Hochfrequenzgenerators durch Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit der an dem dickeren Stabteil (2) angreifenden Halterung (11 a) relativ zur Heizspule (5) konstant gehalten wird. B.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der an dem dickeren Stabteil (2) angreifenden Stabhalterung (11a) mit konstanter Geschwindigkeit durchgeführt wird.
  9. 9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein den dünneren Stabteil (3) mit Abstand umgebender, sich in der Längsrichtung des Stabes erstreckender Metallkörper (6) in unmittelbarer Nähe der Schmelzzone (4) angeordnet ist, der an dem der Schmelzzone abgewandten Ende eine Kühleinrichtung (7) und dem der Schmelzzone zugewandten Ende einen Temperaturfühler (8) trägt. In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 1107 076.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1107076A (fr) * 1953-02-14 1955-12-28 Siemens Ag Procédé et dispositif pour le traitement d'un montage à cristal semi-conducteur

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR1107076A (fr) * 1953-02-14 1955-12-28 Siemens Ag Procédé et dispositif pour le traitement d'un montage à cristal semi-conducteur

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