DE1165882B - Vorrichtung zur Ausfuehrung von Drehbewegungen an stabfoermigen Koerpern, insbesondere an Halbleiterkoerpern - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: C22f

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 4Od- 3/02

P 24387 VI a/4Od
5. Februar 1960
19. März 1964

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, mit der an stabförmigen, in einem Behälter übereinander angeordneten Körpern, insbesondere an Halbleiterkörpern, deren Teile beim Zonenschmelzen gegeneinander gedreht werden, unter dem Einfluß .-magnetischer Kräfte Drehbewegungen ausführbar sind.

Zur Reinigung von Halbleitermaterialien und zur Herstellung von Einkristallen aus ihnen hat sich das sogenannte tiegelfreie Zonenschmelzen gut be- ίο währt. Bei diesem Verfahren wird in enem vertikal gehalterten Stab aus halbleitendem Material vorzugsweise durch induktive Erwärmung eine flüssige Zone erzeugt, die infolge einer Relativbewegung zwischen Wärmequelle und Stab durch den Stab wandert. Das Material an der flüssigen Zone wird durch die Oberflächenspannung zusammengehalten. Einer der beiden durch die flüssige Zone getrennten Teile des Stabes wird um seine Längsachse langsam, z. B. mit 60 U/min, gegen den anderen Teil gedreht. Dies ist erforderlich, um erstens die thermische Symmetrie zu erhalten, so daß der anwachsende Stab in der Vertikalen wächst, und zweitens um durch die entstehende Rübrwirkung in der flüssigen Zone eine gleichmäßige Materialverteilung zu erzielen und damit die Qualität des anwachsenden Halbleitermaterials zu verbessern.

Besonders wichtig wird diese Drehung der Stabteile gegeneinander, wenn es sich bei dem Halbleitermaterial um eine Zweistoffverbindung, z. B. um eine III/V-Verbindung, mit einem flüchtigen Anteil handelt und das Material eine größere Dichte hat. Ein solches Material ist z. B. Galliumarsenid. Wegen seiner großen Dichte von etwa 5 g/cm³ ist bei einer geringfügigen Störung der Symmetrie des anwachsenden Stabteiles und der sich daraus ergebenden Deformation der flüssigen Zone infolge der ungleichmäßigen Erwärmung die Oberflächenspannung nicht mehr groß genug, um die flüssige Zone zusammenzuhalten. 4"

Bei der Schmelztemperatur des Galliumarsenids verdampft überdies das Arsen aus der flüssigen Phase. Um eine Verarmung der flüssigen Phase an Arsen zu verhindern, ist es erforderlich, in der Umgebung des Stabes eine Arsenatmosphäie aufrechtzuerhalten, deren Druck gleich dem Dampfdruck des Arsens über der flüssigen Zone ist. Dies geschieht üblicherweise dadurch, daß man den Stab in ein evakuiertes Quarzrohr einschließt, in dem sich etwas Arsen befindet. Wenn dann das ganze Quarzrohr auf etwa 600° C erwärmt wird, stellt sich über dem Arsen der erforderliche Arsendampfdruck ein, der Vorrichtung zur Ausführung von
Drehbewegungen an stabförmigen Körpern,
insbesondere an Halbleiterkörpern

Anmelder:

Philips Patentverwaltung G. m. b. H.,

Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Phys. Dr. Frithjof Karstensen,

Harksheide (Bez. Hamburg)

dem Druck über der flüssigen Zone das Gleichgewicht hält. Zur raschen Einstellung dieses Gleichgewichts beim Anwachsen des einen Stabteiles ist gleichfalls die durch das Drehen der Stabteile gegeneinander bewirkte Rührwirkung von Wichtigkeit.

Um nun die Drehbewegung in ein solches Quarzrohr übertragen zu können, ist die Durchführung einer Welle durch die Rohrwand notwendig. Abgesehen davon, daß diese Durchführung ebenfalls auf eine Temperatur von 600° C gebracht werden muß, ist ihre Abdichtung auch deshalb schwierig, weil nur das Halbleitermaterial nicht ungünstig beeinflussende Materialien verwendet werden dürfen. Graphit ist an sich brauchbar, aber eine Graphitdurchführung ist nicht genügend gasdicht herzustellen, so daß das Entweichen von Arsendampf nicht vermieden werden kann. Bekannte, hochvakuumdichte und gasdichte, eine Drehbewegung erlaubende Durchführungen, z. B. Simmerringe, sind bei hohen Temperaturen nicht geeignet, können auch das Halbleitermaterial verunreinigen und vergrößern die für die Drehung erforderliche Kraft.

Es ist bekannt, eine Durchführung zu vermeiden, indem man den zu drehenden Teil des Stabes magnetisch in dem abgeschlossenen Quarzrohr aufhängt und dreht. Eine solche Anordnung ist aber verhältnismäßig kompliziert, weil eine Stabilisierung des Magnetfeldes erforderlich ist und die zum Tragen des bewegten Teiles und zu seiner Drehung erforderliche magnetische Kraft groß sein muß.

Es ist weiter bekannt, vakuumdichte Behälter, in die stabförmige Halbleiterkörper zum Zonenschmelzen eingebracht werden, aus Quarz herzustellen. Auch sind in einem solchen Vakuumbehälter Vorsprünge aus Quarz als Stützstellen für eine Haltevor-

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richtung verwendet worden, in der der Stab eingespannt war. Bei dieser bekannten Anordnung waren die aus Quarz bestehenden Stützelemente jedoch nicht als Drehlager ausgebildet, sondern halterten den Halbleiterstab ausschließlich in axialer Richtung.

Die Erfindung zeigt einen Weg, auf dem. die oben erwähnten Nachteile vermieden und ein Drehlager für einen mit einem Magnetfeld zu drehenden Stab mit einer Leichtgängigkeit geschaffen "wird, wie sie wegen des verhältnismäßig großen Luftspaltes im Antriebsmagnetfeld und wegen der möglichen seitlich wirkenden Magnetkräfte erforderlich ist.

Dies geschieht bei einer Vorrichtung, mit der an stabförmigen, in einem Behälter übereinander angeordneten Körpern, insbesondere an Halbleiterkörpern, deren Teile beim Zonenschmelzen gegeneinander gedreht werden, unter dem Einfluß magnetischer Kräfte Drehbewegungen ausführbar sind, gemäß der Erfindung dadurch, daß die den zu dre- so henden stabförmigen Körper tragende Welle an ihrem äußeren Ende mit einer oberen Lagerschale eines Kugellagers lösbar verbunden ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung ist die Welle innerhalb eines Schliffes durch eine Kapillare geführt und die untere Lagerschale des Kugellagers auf den Rand der öffnung des Schliffes aufgesetzt. Durch die Kapillare hat die Welle beim Zusammensetzen des Kugellagers eine gute seitliche Führung; bei Belastung mit dem Gewicht des zu drehenden stabförmigen Körpers übernimmt jedoch, wie im weiteren beschrieben wird, das Kugellager die Funktion der seitlichen Führung und ist auch imstande, seitlich wirkende magnetische Kräfte aufzunehmen. Der zu drehende stabförmige Körper kann am oberen oder am unteren Ende der Welle befestigt werden. Der Schliff, der als Innenteil zu einer in der inneren Behälterwand angebrachten Schlifffläche paßt, erleichtert das Auseinandernehmen und das Reinigen des Kugellagers und ermöglicht seine Verwendung in verschiedenen Behältern.

Es kann auch die den zu drehenden stabförmigen Körper tragende Welle innerhalb eines in die Vorrichtung einsetzbaren Schliffes mittels einer Kapillare geführt sein und mit ihrem spitz auslaufenden Ende und der dieses Ende abstützenden Wand des Schliffes ein Spitzenlager bilden. Im Gegensatz zur oben beschriebenen Ausführungsform kann bei dieser Form der Vorrichtung der zu drehende Körper nur am oberen Ende der Welle befestigt werden. Die axial auf die Welle wirkende Kraft wird hier von der Spitze aufgenommen.

Als Material für alle Teile des Lagers ist, ebenso wie für den Schliff und die Kapillare, Quarz geeignet, da es nicht das Halbleitermaterial verunreinigt, außerordentlich hart und beständig ist und nicht geschmiert zu werden braucht.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele.

F i g. 1 zeigt zunächst eine Anordnung bekannter Art mit einem abgeschlossenen Quarzgefäß;

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, das ein Kugellager verwendet; Fig. 3 zeigt ein Spitzenlager, und

Fig. 4a und 4b dienen der Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung.

Bei der bekannten Anordnung nach Fig. 1 sind die durch die flüssige Zone 1 voneinander getrennten Halbleiterstäbe 2 in Halterungen 3 abgestützt, die ebenso wie das bei 4 verschmolzene Rohr 5 aus Quarz bestehen. Der Pumpstutzen ist mit 6 bezeichnet, die Erhitzungsspule bei 21 angedeutet. Eine Drehbewegung auf einen der Teile 2 kann in bekannter Weise dadurch in das Behälterinnere übertragen werden, daß der zu drehende Teil mit einem ferromagnetischen Körper versehen wird, der von einem außerhalb des Behälters gedrehten Magneten beeinflußt wird.

In dem Ausführungsbeispiel nach der Erfindung gemäß Fig. 2 trägt der Schliff 7 eine Kapillare8, weiche die Welle 9 führt. Auf den Schliff 7 abnehmbar festgesetzt ist die untere Lagerschale 10, die obere Lagerschale 11 ist bei 12 mit der WeIe 9 zweckmäßig lösbar verbunden. Zwischen den Schalen 10 und 11 laufen die Kugeln 13. Der Führungsring 14 hält in üblicher Weise den Abstand zwischen den Kugeln 13, alle Teile des Lagers und ebenso der Schliff 7 und die Kapillare 8 bestehen aus Quarz. Ein solches Lager kann für Reinigungszwecke in einfacher Weise auseinandergenommen werden. Eine Schmierung des Lagers erweist sich nicht als notwendig.

Befindet sich der Schwerpunkt des Systems der Welle 9 mit dem Halbleiterstab in der Figurenachse der Welle, so verteilen sich die vom Lager aufzunehmenden Kräfte gleichmäßig auf die Kugeln 13, wie es schematisch die Fig. 4a zeigt. Durch den Pfeil 17 ist die Schwerkraft symbolisiert, durch die Pfeile 15 und 16 die auf das Lager wirkenden Kräfte. Liegt der Schwerpunkt des Systems dagegen etwas außerhalb der Figurenachse der Welle 9, so wird das Lager zwar ungleichmäßig belastet, wie es die ungleich langen Pfeile 15 und 16 in Fig. 4b andeuten, eine Neigung der Welle 9 und damit eine Reibung zwischen dieser Welle und der Führung kann jedoch nicht auftreten. Die Drehung der Welle 9 erfolgt in bekannter Weise auf magnetischem Wege.

Die Kugeln 13 des Kugellagers können aus einem Quarztropfen gebildet werden, der zwischen zwei gegeneinander verschiebbaren Glasplatten geschliffen wird. Das Bohren der Löcher der Lagerschalen und das Schleifen der Ringe, in denen die Kugeln 13 laufen, sowie das Formen des Führungsringes 14 kann mittels einer Ultraschallbohrmaschine durchgeführt werden.

Der Schliff, mit dem das in Fig. 3 als Beispiel gezeigte Spitzenlager in die Apparatur eingesetzt wird, ist mit 18 bezeichnet. Er trägt die Kapillare 8, die wiederum zur Führung der magnetisch gedrehten Welle 9 dient. Auch hierbei sind alle Teile aus Quarz hergestellt. Die Spitze 19 der Welle 9 kann auf einer Drehbank angeschliffen werden. Eine ebene Auflagefläche 20 für die Spitze 19 läßt sich mittels eines durch die Kapillare geführten Kupferstabes unter Anwendung von Schleifpulver erzielen, wobei naturgemäß darauf zu achten ist, daß der Kupferstab parallel zur Wellenachse gehalten wird.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung, mit der an stabförmigen, in einem Behälter übereinander angeordneten Körpern, insbesondere an Halbleiterkörpern, deren Teile beim Zonenschmelzen gegeneinander gedreht werden, unter dem Einfluß magnetischer

Kräfte Drehbewegungen ausführbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die den zu drehenden stabförmigen Körper tragende Welle (9) an ihrem äußeren Ende mit einer oberen Lagerschale (11) eines Kugellagers lösbar verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (9) innerhalb eines Schliffes (7) durch eine Kapillare (8) geführt und die untere Lagerschale (10) des Kugellagers auf den Rand der Öffnung des Schüffes (7) aufgesetzt ist. s

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den zu drehenden stabförmigen Körper tragende Welle (9) innerhalb eines in die Vorrichtung einsetzbaren Schliffes (18) mittels einer Kapillare (8) geführt ist und mit ihrem spitz auslaufenden Ende (19) und der dieses Ende abstützenden Wand (20) des Schliffes (18) ein Spitzenlager bildet.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle Teile des Kugellagers ebenso wie der Schliff und die Kapillare aus Quarz bestehen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 040 799.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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