DE1166486B

DE1166486B - Vorrichtung zum Behandeln von Halbleitergrundstoffen im hochfrequenten Induktionsfeld in einem Tiegel

Info

Publication number: DE1166486B
Application number: DEN14378A
Authority: DE
Inventors: Jan Goorissen
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1956-11-28
Filing date: 1957-11-23
Publication date: 1964-03-26
Also published as: NL287659A; DE1519836B1; US3067139A; GB820688A; NL212547A; NL126067C; FR1197694A; NL105823C

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: C22f

Deutsche Kl.: 4Od-3/00

Nummer: 1166 486

Aktenzeichen: N14378 VI a / 40 d

Anmeldetag: 23. November 1957

Auslegetag: 26. März 1964

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Behandeln von Halbleitergrundstoffen im hochfrequenten Induktionsfeld in einem Tiegel, in dem der Halbleitergrundstoff wenigstens teilweise geschmolzen wird und der aus einem von der Schmelze nicht benetzbaren, elektrisch leitenden Material, z. B. Graphit, besteht. Die Halbleitergrundstoffe können z. B. halbleitende Elemente, wie Germanium und Silizium, oder halbleitende Verbindungen, wie Indiumantimonid, Kadmiumtellurid u. v. a., sein. Die obenerwähnten Behandlungen können vieler Art sein, wie Zonenschmelzen von Halbleitergrundstoffen in einem Tiegel und Ziehen von Kristallen aus einer Schmelze. Bei solchen Schmelzbehandlungen von Halbleitergrundstoffen wird meistens die elektrische Leitfähigkeit des Graphits benutzt. Die Leitfähigkeit des Tiegels verhindert aber manchmal, daß die Schmelze durch die Einwirkung des Hochfrequenzfeldes ausreichend gut umgerührt wird. In anderen Fällen, in denen die Erwärmung des Tiegels erwünscht ist, tritt auch die Schwierigkeit auf, daß sie ungleichmäßig verteilt ist.

Die Erfindung gründet sich auf die Erkenntnis, daß Schmelzen von Halbleitergrundstoffen eine hohe Oberflächenspannung aufweisen und daß beim Schmelzen von Stoffen mit hoher Oberflächenspannung im Tiegel unterhalb des Pegels des geschmolzenen Materials Öffnungen, beispielsweise Schlitze, zulässig sind, sofern sie nicht über bestimmte Maße hinausgehen.

Eine Vorrichtung der anfangs erwähnten Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß im Tiegel unterhalb des Pegels der Schmelze wenigstens eine die Induktionsströme im Tiegel und/oder in der Schmelze beeinflussende Öffnung angebracht ist, die derart bemessen ist, daß die Schmelze allein infolge ihrer Oberflächenspannung nicht hinausfließt. Die Abmessungen der Öffnungen müssen also derart sein, daß der von der Oberflächenspannung der Schmelze erzeugte maximale Druck größer ist als der hydrostatische Druck. Unter diesem letzteren Druck ist nicht nur der von der Schwerkraft erzeugte Druck, sondern auch derjenige Druck zu verstehen, der gegebenenfalls aus anderen Gründen entsteht, beispielsweise durch Zentrifugalkräfte.

In der britischen Patentschrift 701 790 (Abb. 3) ist zwar eine Vorrichtung zum Verdampfen von Metallen beschrieben, bei der ein Stab des zu verdampfenden Metalles durch eine Öffnung im Boden eines Tiegels gesteckt ist und das obere Ende des Stabes durch Hochfrequenzinduktion geschmolzen wird. Das Hochfrequenzfeld verhindert das Ab-

Vorrichtung zum Behandeln von Halbleitergrundstoffen im hochfrequenten Induktionsfeld
in einem Tiegel

Anmelder:

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken, Eindhoven

(Niederlande)

Vertreter:

Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,

Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Jan Goorissen, Eindhoven (Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 28. November 1956 (212 547)

fließen der Schmelze. Wenn das Hochfrequenzfeld ausgeschaltet wird, fällt die Schmelze in den Tiegel hinunter. Infolge ihrer hohen Viskosität kann die Schmelze nicht durch den Spielraum in der Öffnung zwischen Stab und Tiegelwand hinausfließen. Die Schmelze wird also so langsam durch diesen Spielraum fließen, daß sie schon verfestigt ist, bevor sie an der Unterseite hinaustritt. Dabei ist zu bedenken, daß der Metallstab von seiner Schmelze normal gut benetzbar ist. Damit weiter das Hochfrequenzfeld nur das obere Stabende erhitzen und das Abfließen dieser Schmelze verhindern kann, ist es erforderlich, daß der Tiegel aus elektrisch isolierendem Material besteht. Der Tiegel ist also verhältnismäßig kalt. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen die Wände der Öffnungen aus von der Schmelze nicht benetzbarem Material, und es werden die Abmessungen nicht von der Viskosität der Schmelze, sondern von der Oberflächenspannung der Schmelze bestimmt.

Die Erfindung und einige ihrer Ausführungsformen werden nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen erörtert, die durch Figuren erläutert sind. F i g. 1 stellt einen Längsschnitt durch einen Tiegel zum Reinigen halbleitender Materialien dar;

5c F i g. 2 ist eine Ansicht dieses Tiegels in Richtung seiner Längsachse;

F i g. 3 ist ein Schnitt in der Längsachse und

409 540/431

F i g. 4 eine Seitenansicht eines Tiegels zum Ziehen von Kristallen;

F i g. 5 und 6 sind ein Schnitt in der Längsachse bzw. eine Ansicht einer anderen Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen;

Fig. 7 ist ein Schnitt in der Längsachse einer Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen und

F i g. 8 eine Draufsicht auf die Vorrichtung nach Fig. 7.

Der in F i g. 1 dargestellte Tiegel 1 aus Graphit eignet sich insbesondere zur Verwendung bei den Verfahren, die unter »Zonenschmelzen« und »Zonenreinigen« bekannt sind, bei denen der Tiegel von einer schematisch dargestellten Hochfrequenzinduktionsspule 2 umgeben ist. Dieses Verfahren ist in der USA.-Patentschrift 2 739 088 beschrieben worden.

Wenn das Ende des Tiegels von der Spule umfaßt wird, entwickelt sich an diesem Ende, sofern es auf übliche Weise durch eine Querwand abgeschlossen ist, mehr Wärme als in der Mitte des Tiegels, weil am Ende der Querschnitt des Graphits größer als im übrigen Teil ist. Gemäß der Erfindung ist an den Enden des Tiegels ein Schnitt 3 angebracht, der sich bis zum Boden des Tiegels erstrecken kann.

Dabei spielen folgende Erwägungen eine Rolle.

Der durch die Oberflächenspannung des geschmolzenen Materials herbeigeführte Druck beträgt im allgemeinen

T" \~R~ ⁺ ir) ^s/cm2'
g \ K₁ K₂ J

wobei γ die Oberflächenspannung in dyn/cm, g die Schwerebeschleunigung in cm/sec² und R₁ und R._z die Krümmungshalbmesser der Flüssigkeitsoberfläche in zwei zueinander senkrechten Richtungen in cm darstellen.

Wenn der Tiegel aus Graphit besteht und das geschmolzene Material aus Germanium, ist ;■ etwa gleich 500 dyn/cm anzusetzen. Wenn der Schlitz

¹ 2 mm breit ist, so ist R₁ = ¹Zw und R₉ = oo anzusetzen. Wenn ferner #=1000 cm/sec² angesetzt wird, so wird der aufwärts gerichtete Druck im Schlitz 20 g/cm². Die Wichte des Germaniums beträgt etwa 5,3; infolgedessen kann ein solcher Schlitz, der die Entstehung übermäßig hoher Induktionsströme stark unterdrückt, bis zu einer Tiefe von nahezu 4 cm unter der Germaniumoberfläche 5 angebracht werden, bevor die Schmelze durch den Schlitz abfließt.

Diese Tiefe ist in den meisten Fällen ausreichend.

Ein ähnliches Problem, das mit der Vorrichtung nach der Erfindung einfach lösbar ist, tritt beim Ziehen von Kristallen aus einer Schmelze auf. Bei diesem Verfahren, von dem eine besondere Ausführungsform beispielsweise in der USA.-Patentschrift

2 683 676 beschrieben worden ist, wird ein Tiegel, der aus einem leitfähigen Material, beispielsweise Graphit, besteht, durch eine gleichachsig den ganzen Tiegel umgebende Induktionsspule erwärmt. Die Schmelze selbst ist durch die Tiegelwand stark gegen das elektromagnetische Feld abgeschirmt, und die Schmelze wird nahezu ganz durch die Wärmeleitung und Wärmeströmung erwärmt. Hierbei wird die Schmelze nicht umgerührt; dies wäre z. B. möglich, wenn das Hochfrequenzfeld unmittelbar auf die Schmelze einwirkte, wie es bei einem Tiegel aus Isoliermaterial, beispielsweise Quarz, der Fall wäre. Tiegel aus einem solchen Material sind jedoch nicht gut für das Schmelzen von Materialien geeignet, die bei Zimmertemperatur einen so hohen Widerstand aufweisen, daß bei dieser Temperatur kein genügender Strom in ihnen induziert wird, um das Schmelzen herbeizuführen.

Bei der Anwendung der Erfindung kann ein Tiegel Verwendung finden, der beispielsweise die in den F i g. 3 und 4 oder 5 und 6 dargestellte Bauart besitzt.

Der Tiegel nach Fig. 3 hat einen Boden5 und

ίο eine senkrechte Wand 6. In dieser letzteren sind eine Anzahl Schnitte 7 angebracht, die sich bis zum Boden erstrecken. Der Tiegel ist von einer Spule 8 umgeben.

Die abschirmende Wirkung dieses Tiegels ist, da die Induktionsströme unterbrochen werden, geringer als die des bekannten Tiegels mit massiven Wänden. Das Feld kann also in verstärktem Maße auf die Schmelze selbst einwirken. Beim Anfang der Erwärmung, wenn die Füllung des Tiegels noch kalt ist, ist ihr Widerstand, wenn es sich um einen Halbleiter handelt, noch sehr hoch. In dieser Stufe wird die Füllung noch durch die im Tiegel selbst erzeugte Wärme erwärmt.

Eine abgeänderte Ausführungsform dieser Bauart ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform enden die Sägeschnitte 7 etwas unterhalb des oberen Randes des Tiegels, so daß sich ein ununterbrochener Ring 9 ergibt, der den Tiegel stärker macht.

Das dritte Ausführungsbeispiel zeigt eine Vorrichtung mit zwei Tiegeln zum Ziehen von Kristallen.

Gemäß einem bekannten Verfahren können Kristalle aus einem verhältnismäßig kleinen Tiegel, nachstehend als Innentiegel bezeichnet, gezogen werden, der sich in einem größeren Tiegel, dem Außentiegel, befindet; der Inhalt der Tiegel steht durch eine kleine Öffnung im ersten Tiegel miteinander in Verbindung. Dieses Verfahren ist in der britischen Patenschrift 754 767 beschrieben worden.

Die Vorrichtung nach Fig. 7 ist eine vorteilhafte Weiterbildung dieser bekannten Vorrichtung. Sie weist einen Außentiegel 15 mit einem Boden 16 auf, der mit einer Bohrung 17 versehen ist. Der Innentiegel 18 paßt mit geringem Spielraum in den Außentiegel, der von einer Hochfrequenzspule, von der nur der obere Teil 23 gezeichnet ist, umgeben ist. Durch einen Kanal 19 fließt die Schmelze 20 in dem Maße aus dem Außentiegel zum Innentiegel, in dem infolge des Ziehens des Kristalls 21 eine Nachfüllung erforderlich wird. Der Vorteil des Innentiegels liegt hierbei darin, daß die Eigenschaften des Kristalls beeinflußt werden können, indem die Zusammensetzung des Inhaltes des Innentiegels geändert wird, ohne daß der viel größere Inhalt des Außentiegels beeinflußt zu werden braucht. Dabei kann die Diffusion durch den Kanal 19 vernachlässigt werden. Der Innentiegel ist mit einem Stiel 22 versehen, der mit geringem Spiel durch die Bohrung 17 hindurchgeführt ist. Dieser Stiel kann auf der Unterseite durch eine hier nicht dargestellte Vorrichtung auf und ab bewegt werden, wie dies durch Pfeile dargestellt ist, oder um seine Achse gedreht werden. Die Oberflächenspannung verhindert auch an dieser Stelle das Abfließen der Schmelze durch den engen Schlitz zwischen dem Stiel 22 und der Bohrung 17.

Manchmal ist es erwünscht, die Temperatur der Schmelze schnell zu ändern, insbesondere in der Nähe des gezogenen Kristalls. Dies ist bei der vor-

stehend beschriebenen Vorrichtung dadurch möglich, daß im oberen Rand des Außentiegels 15 an zwei einander gegenüberliegenden Stellen eine Anzahl Schlitze 25 angebracht werden, wie dies in F i g. 8 in der Draufsicht dargestellt ist. Die Symmetrieebene ist durch X-X dargestellt. Auf gleiche Weise sind eine Anzahl Schlitze 26 im Innentiegel 18 angebracht. Die Symmetrieebene ist Y-Y. Wird der Innentiegel um seine senkrechte Achse gedreht und der Winkel a zwischen den Ebenen X-X und Y-Y geändert, läßt sich die induktive Kopplung des Innentiegels mit einer außerhalb des Außentiegels angeordneten Hochfrequenzspule ändern. Infolgedessen ändert sich die Temperatur des Innentiegels. Diese Änderung kann beispielsweise dazu verwendet werden, um die Eigenschaften des gezogenen Kristalls, insbesondere seine Leitungsart, örtlich zu ändern.

Diese Änderung der Temperatur des Innentiegels läßt sich auch dadurch erzielen, daß nur der Außentiegel mit Schlitzen versehen und die Stärke oder Richtung des Hochfrequenzfeldes geändert wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Behandeln von Halbleitergrundstoffen im hochfrequenten Induktionsfeld in einem Tiegel, in dem der Halbleitergrundstoff wenigstens teilweise geschmolzen wird und der aus einem von der Schmelze nicht benetzbaren, elektrisch leitenden Material, z. B. Graphit, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß im Tiegel unterhalb des Pegels der Schmelze wenigstens eine die Induktionsströme im Tiegel und/ oder in der Schmelze beeinflussende Öffnung angebracht ist, die derart bemessen ist, daß die Schmelze allein infolge ihrer Oberflächenspannung nicht herausfließt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, insbesondere zum Zonenschmelzen, bei welcher der Tiegel eine langgestreckte Gestalt mit Stirnwänden aufweist und über einen Teil seiner Länge von einer relativ zu ihm in der Längsrichtung verstellbaren Induktionsspule umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnwände mit Sägeschnitten versehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, insbesondere zum Züchten von Halbleitereinkristallen aus Schmelzen, bei welcher der Tiegel innerhalb einer Induktionsspule mit vertikaler Achse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand des Tiegels mehrfach aufgeschlitzt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand in Richtung der Spulenachse aufgeschlitzt ist und der Tiegel einen ununterbrochenen oberen Rand aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei gleichachsige Tiegel enthält und daß die Seitenwand des Außentiegels in Höhe des Innentiegels Schlitze aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Seitenwand des Innentiegels Schlitze aufweist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze über zwei einander gegenüberliegende Teile der Seitenwand jedes Tiegels verteilt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Tiegel um ihre gemeinsame Achse gegeneinander verdrehbar sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke oder Richtung des Hochfrequenzfeldes veränderbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 701790.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 540/431 3.64

Bundesdruckerei Berlin