DE1188042B - Vorrichtung zum tiegellosen Zonenschmelzen eines stabfoermigen kristallinen Halbleiterkoerpers - Google Patents

Description

• Vorrichtung zum tiegellosen Zonenschmelzen eines stabförmigen kristallinen Halbleiterkörpers Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum tiegellosen Zonenschmelzen eines stabförmigen kristallinen Halbleiterkörpers in einer Vakuumkammer und mit Hilfe einer ringförmigen Heizeinrichtung, durch welche der Stab hindurchgeführt wird, und ist dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung einer Heizeinrichtung, die aus einem schmelzenden und mindestens einem wärmenden Teil besteht, die lichte Weite der Vakuumkammer groß im Verhältnis zum Durchmesser der ringförmigen Heizeinrichtung ist. Für den Fall, daß das an sich bekannte tiegelfreie Zonenschmelzverfahren im Vakuum durchgeführt wird, hat es sich nämlich als vorteilhaft erwiesen, die lichte Weite der Vakuumkammer groß gegenüber derjenigen der ringförmigen Heizeinrichtung zu machen. Die Vorteile einer so weiträumigen Anordnung wurden erkannt aus Beobachtungen an einer Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen mit einem den Halbleiterstab und die Heizeinrichtung eng umschließenden Quarzrohr, in welchem das Zonenschmelzverfahren an einem Siliciumstab unter Hochvakuum durchgeführt wurde. Auf der Innenwand des Quarzrohres bildete sich ein Niederschlag von aus der Schmelzzone abgedampftem Silicium. Dieser Niederschlag wurde schon im Verlaufe weniger Zonendurchgänge so dicht, daß er eine weitere Beobachtung der wandernden Schmelzzone unmöglich machte. Zur Wiederherstellung der Beobachtungsmöglichkeit hätte also der Belag entfernt werden müssen. Dazu wäre es aber nötig gewesen, den Behandlungsvorgang zu unterbrechen und die Vakuumkammer zu öffnen. Nach der erneuten Schließung der Kammer hätte zunächst das Vakuum wiederhergestellt werden müssen, bevor die Behandlung hätte fortgesetzt werden können. Nach einer größeren Anzahl von Zonendurchgängen erreichte der Belag eine solche Dicke, daß Teile davon infolge des ständigen Wechsels von Erhitzung beim Passieren der Schmelzzone und jedesmal nachfolgender Abkühlung von der Wandung des Quarzrohres abblätterten und herunterfielen. Wenn nun in dem Zeitpunkt, in dem solches geschieht, die Schmelzzone gerade eine tiefer gelegene Stelle des Stabes durchläuft, so können abgeblätterte Teile des Niederschlages in die Schmelzzone gelangen und diese verunreinigen, weil der Niederschlag natürlich auch Verunreinigungsstoffe enthält, z. B. solche, die aus der Schmelzzone mit dem Silicium zusammen während der ersten Zonendurchgänge abgedampft sind. Die abgeblätterten und in die Schmelzzone gelangten Niederschlagsteilchen werden dort wieder mit eingeschmolzen. Auf diese Weise gelangen erneut Verunreinigungen in die Schmelzzone und in den Teil des Siliciumstabes, den die Schmelzzone in der Folgezeit durchwandert. Daraus geht hervor, daß der Hauptzweck des tiegelfreien Zonenschmelzens, nämlich die Erzielung eines extrem reinen Siliciums, durch Verwendung eines engen Vakuumgefäßes unter Umständen vereitelt werden kann. Demgegenüber ist in einer Vakuumkammer von wesentlich größerer lichter Weite bei gleicher Menge des aus der Schmelzzone abgedampften Materials die Dicke des Niederschlages wegen der größeren Fläche der Innenwand wesentlich kleiner. Eine Entfernung des Belages erweist sich daher erst nach einer längeren Betriebsdauer als notwendig und kann bei Gelegenheit vorgenommen werden, wenn die Vakuumkammer ohnehin geöffnet ist, beispielsweise bei der Herausnahme eines. fertig behandelten Siliciumstabes bzw. beim Einsatz eines neuen Stabes. Ferner können etwa abblätternde Teilchen des Niederschlages auch während eines Behandlungsprozesses nicht in die Schmelzzone gelangen, weil deren Abstand von der Innenwand zu groß ist.
• In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es handelt sich um eine Vorrichtung, die vorzugsweise für die Behandlung von Silicium wegen seines hohen Schmelzpunktes von 1420° C angewendet wird. Es können darin aber auch andere Halbleiterstoffe wie Germanium, Aluminiumantimonid oder eine andere Verbindung von Elementen der III. und V. bzw. der II. und VI. Gruppe des Periodensystems tiegelfrei zonengeschmolzen werden. Ein Halbleiterstab 2 ist zweckmäßig in senkrechter Stellung zwischen zwei Halterungen 18 und 19 eingespannt, die an den Enden von Wellen 20 und 21 sitzen. Die Welle 20 ist durch eine Grundplatte 22, welche auf einem Gestell 23 ruht, vakuumdicht hindurchgeführt und sowohl drehbar als auch unabhängig davon in Achsrichtung verschiebbar, ebenso die Welle 21, die durch den oberen Teil einer Gehäuseglocke 24 hindurchgeführt ist. Das Gehäuse 24 ruht vakuumdicht auf der Grundplatte 22 und bildet so mit ihr eine Vakuumkammer von verhältnismäßig großer Weite. Ein Stutzen 25, durch welchen der Innenraum der Einrichtung luftleer gemacht werden kann, befindet sich an der Grundplatte 22. Auf der Grundplatte ist ein Führungsgestell 26 befestigt, auf dem ein Schlitten 27 gleitet, der durch eine Spindel 28 auf- und abbewegt werden kann. Die Welle der Spindel 28 ist ebenfalls durch die Grundplatte 22 hindurchgeführt und wird von einem Hilfsmotor 29 über ein Übersetzungsgetriebe 30 angetrieben, beispielsweise derart, daß sich der Schlitten mit einer Geschwindigkeit von 0,5 bis 5 mm/min in Richtung des Pfeiles 13 nach oben bewegt. An dem Schlitten 27 ist eine Heizvorrichtung 31 befestigt, z. B. eine Spule aus Kupferrohr, die mit einem hochfrequenten Strom gespeist und von Kühlwasser durchströmt wird. Die ebenfalls rohrförmigen Zuleitungen, die in der Zeichnung der Deutlichkeit halber nicht dargestellt sind, müssen beweglich sein und können zu diesem Zweck dicht nebeneinander in Form einer Schraubenlinie nahe dem inneren Umfang der Gehäuseglocke 24 zur Grundplatte 22 und durch diese hindurch nach außen geführt sein. Unterhalb der Heizspule 31 und in einstellbarem Abstand davon ist ein Reflektor 15 angebracht. Er besteht z. B. aus Kupferblech, welches auf der der Heizeinrichtung 31 zugekehrten Voderseite zwecks Verbesserung der Reflexion versilbert und auf der Rückseite mit einer angelöteten Kühlschleife 16 aus Kupferrohr versehen ist. Mit Rücksicht darauf, daß hier als Heizeinrichtung eine Induktionsspule verwendet wird, ist der Reflektor 15 mit einem radialen Schlitz versehen. Das Rohr 16 wird von Kühlwasser durchströmt. Der Reflektor 15 ist mittels des Kühlwasserrohres 16 ebenfalls am Schlitten 27 befestigt. Zur Vorwärmung ist ein geschlossener Ringkörper 32 vorgesehen, der mit einer angebogenen Fahne am Schlitten 27 befestigt ist und durch die Spule 31 auf induktivem Wege mit aufgeheizt wird. Mit der Heizspule 31 wandert die flüssige Zone 11 in Richtung des Pfeiles 13 von unten nach oben durch den Stab hindurch.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum tiegellosen Zonenschmelzen eines stabförmigen kristallinen Halbleiterkörpers in einer Vakuumkammer und mit Hilfe einer ringförmigen Heizeinrichtung, durch welche der Stab hindurchgeführt wird, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß bei Anwendung einer Heizeinrichtung, die aus einem schmelzenden und mindestens einem wärmenden Teil besteht, die lichte Weite der Vakuumkammer groß im Verhältnis zum Durchmesser der ringförmigen Heizeinrichtung ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bewegliche Stromzuleitungen zur Heizeinrichtung dicht nebeneinander in Form einer nahe der inneren Wandung der Vakuumkammer verlaufenden Schraubenlinie angeordnet sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 291994, 407 951, 429 276; britische Patentschrift Nr. 109 298; australische Patentschrift Nr. 166 223; belgische Patentschrift Nr. 510 303; Elektron, Bd. 5, 1952, S. 431 bis 433; Phys. Rev., 1953, S. 847; Journ. of Med., 1952, S. 747; Ho11and-Merten: Handbuch der Vakuumtechnik, 1953, S. 627. In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1014 332.