DE1191336B - Zonenschmelzverfahren zum Umwandeln von mindestens einem polykristallinen Stab in einen Einkristall - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

BOIj

Deutsche Kl.: 12c-2

Nummer: 1191336

Aktenzeichen: J19691IV c/12 c

Anmeldetag: 1. April 1961

Auslegetag: 22. April 1965

Zonenschmdzverfahren, bei dem durch ein sich in einem Tiegel, befindliches Material eine Schmelzzone geführt wrd, sind bekannt. Dabei muß jedoch der entstehende Kristall innerhalb einer einen Druck auf den Kristall ausübenden Form gehalten und abgekühlt werden. Dieser Druck ist meist unerwünscht, weil er unsymmetrisch wirkt. Das Fehlen vollständiger radialer Synmetrie erschwert aber das Problem der Beherrschung des Temperaturgradienten im gerade gewachseten Kristall, wie es im Interesse einer möglichst fehlerfreien Kristallstruktur notwendig ist, und es gibt Schwankungen des spezifischen Widerstandes quer zur horizontalen Längsachse des Kristalls, entsprechend den Konvektionsströmen in der flüssigen Zone nahe der Kristallwachstumsfläche.

Zwar können einige der genannten Nachteile durch Anwendung des tiegelfreien Zonenschmelzverfahrens vermieden werden. Beim tiegelfreien Zonenschmelzverfahren besteht jedoch eine Grenze hinsichtlich der Größe der Kristalle.

Es ist zwar bekannt, Halbleitermaterial in einer zylinderförmigen senkrecht stehenden Form Zonen zu schmelzen, beim Erstarren des Kristalls entsteht jedoch meist ein starker Druck zwischen Form und Einkristall, wobei die Form zerstört werden kann.

Diese Nachteile werden bei einem Zonenschmelzverfahren zum Umwandeln von mindestens einem polykristallinen Stab in einen Einkristall von innerhalb weiten Grenzen vorgegebenen Abmessungen, bei dem ein Keimkristall mit einem in einer Form befindlichen polykristallinen Stab in Berührung gebracht wird und eine durch einen Heizkörper erzeugte geschmolzene Zone, vom Keimkristall ausgehend, durch diesen Stab bewegt wird, vermieden, wenn erfindungsgemäß ein Zwischenraum zwischen Stab und Form mit einem elastischen feuerfesten Futter ausgefüllt wird, welches von dem Material der geschmolzenen Zone weder benetzt wird noch mit diesem chemisch reagiert, und, nachdem der Stab mit Form und Futter durch den Heizkörper geführt wurde, gegebenenfalls anschließend an den Stab und in Berührung mit ihm weitere polykristalline, in Formen und Futter eingeschlossene Stäbe durch den Heizkörper bewegt werden.

Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird vorzugsweise eine langgestreckte zylinderförmige Form aus feuerfestem Material zur Aufnahme eines polykristallinen Einsatzstabes einer zu kristallisierenden Substanz verwendet, die in einem Heizkörper zur Erzeugung einer geschmolzenen Zone innerhalb des Einsatzstabes in Längsrichtung der Form bewegt wird. Das Verfahren der vorliegenden Zonenschmelzverfahren zum Umwandeln von
mindestens einem polykristallinen Stab in
einen Einkristall

Anmelder:

INTERMETALL Gesellschaft für Metallurgie
ίο und Elektronik m. b. H.,

Freiburg (Breisgau), Hans-Bunte-Str. 19

Als Erfinder benannt:
Chih-Chung Wang, Lexington, Mass. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 11. April 1960 (21195)

Erfindung unterscheidet sich somit wesentlich von einem bereits vorgeschlagenen Verfahren zum tiegel-

s5 losen Zonenschmelzen von relativ dicken Stäben oder Röhren, bei dem ein frei auf der Schmelze schwimmender Zylinder als Tiegel verwendet wird. Die Erfindung ermöglicht das Herstellen von gegebenenfalls dotierten Einkristallen aus Halbleitermaterial mit einem im wesentlichen einheitlichen spezifischen Widerstand und großer Fehlerfreiheit.

Die Erfindung ermöglicht ferner kontinuierlich langgestreckte Einkristalle von vorgegebenen Querschnittsmaßen und Formen herzustellen.

Die weitere Ausbildung und Vorteile der Erfindung werden im folgenden an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt ausschnittsweise im Aufriß und teilweise im Schnitt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung;

F i g. 2 dient zur Erläuterung des Verfahrens nach der Erfindung zum Herstellen von Einkristallen in einem kontinuierlichen Prozeß.

Vor Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird ein polykristalliner Einsatzstab aus dem zu kristallisierenden Material hergestellt. Wenn der Kristall zur Herstellung von Halbleiterbauelementen benutzt werden soll, muß das Material von großer Reinheit sein. Unter dieser Voraussetzung können auch bestimmte dotierende Verunreinigungen durch geeignete Verfahrensschritte eingebracht werden.

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Der polykristalline Einsatzstab wird z. B. durch mechanische Bearbeitung oder Gießen in einen gestreckten Körper von symmetrischem vorzugsweise kreisförmigem Querschnitt geformt.

Die Vorrichtung 10 in F i g. 1 enthält eine zylindrische Form 12, z. B. aus Quarz, mit kreisförmigem Querschnitt und einer zylindrischen Längsbohrung. Der innere Durchmesser der Form 12 ist etwas größer als der äußere Durchmesser des Einsatzstabes 14, wodurch ein ringförmiger Raum 16 zur Aufnahme eines Futters 18 entsteht.

Das Futter 18 kann aus einer rohrförmigen Manschette aus relativ schmiegsamem Material bestehen, das weder benetzt wird noch mit der flüssigen Phase des zu kristallisierenden Materials bei den Arbeitstemperaturen reagiert. Zum Beispiel kann das Futter 18 aus einer Manschette aus anorganischem Papier oder Gewebe aus Quarz oder keramischen Fasern oder aus einer Lage von lose verfilzten Fasern von Glas, Quarz oder keramischer Wolle bestehen, die an der inneren Oberfläche der Form 12 anliegt. Das Futter 18 kann auch in Bandform ausgeführt werden, wobei die Breite des Bandes gleich dem Umfang des Einsatzstabes ist. Das Band wird so um den Stab gewickelt, daß die Längskanten des Bandes entlang einer Seite des Stabes stumpf zusammenstoßen. Vorzugsweise wird ein zweites Band über das erste in ähnlicher Weise gewickelt, jedoch so, daß seine Stoßkante gegenüber der Stoßkante des ersten Bandes versetzt ist, d. h. daß diese nicht übereinander zu liegen kommen. Ein oder zwei Bänder können auch spiralförmig um den Stab gewickelt werden, wobei die Breite des Bandes nicht notwendigerweise gleich dem Umfang des Stabes zu sein braucht.

Es ist auch möglich, den polykristallinen Einsatzstab 14 zunächst in das Futter 18 und dann sowohl Futter 18 wie auch Stab in die Form 12 hineingleiten zu lassen. Wahlweise kann die Form aus Halbzylinderabschnitten hergestellt werden, die über Einsatzstab und Futter zusammengeklammert sind.

Nachdem der Einsatzstab in die Form eingeführt worden ist, wird ein einkristalliner Keimkristall (nicht gezeigt) mit einem Ende des Einsatzstabes in Berührung gebracht.

Der Heizkörper besteht aus einer Hochfrequenzinduktionsspule 20, die konzentrisch einen relativ kurzen Abschnitt der Form 12 umgibt. Selbstverständlich können jedoch auch ein Widerstandsheizkörper oder andere geeignete Mittel zur Erzeugung der geschmolzenen Zone verwendet werden. Ein geeigneter, nicht gezeigter Antriebsmechanismus ist vorgesehen, um eine Längsbewegung relativ zwischen Heizkörper und Form zu erzeugen. Die geschmolzene Zone wandert längs durch den polykristallinen Einsatzstab, vom Keimkristall ausgehend. An der Rückseite der geschmolzenen Zone erstarrt das Material in einkristalliner Form. Die Spannungen, welche sonst die Bildung eines polykristallinen Materials hervorrufen könnten, werden durch die günstige Wirkung des Futters 18 gemildert.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ermöglicht eine abgewandelte Form der Vorrichtung 10' nach Fig.2 das Herstellen von Einkristallen unbegrenzter Länge in einem fortlaufenden Prozeß. Diese abgewandelte Vorrichtung besteht aus einem festgehaltenen rohrförmigen Führungsteil 22 aus einem feuerfesten Material, wie Graphit, Quarz oder hochschmelzendem Metall. Konzentrisch um den mitt leren Abschnitt des Führungsteiles 22 siiri verschiedene Windungen 20 eines Hochfrequenzieizsystems angeordnet. Wie im Falle des oben beschriebenen Beispiels können auch andere Mittel benitzt werden, die die Erzeugung einer durch das Material 14 wandernden geschmolzenen Zone bewinen können. Das Führungsteil 22 ist so ausgebildrt, daß es in Längsrichtung eine durchbohrte zylindrische Form 12' aufnehmen kann, die aus einer Anzihl von halbzylindrischen Abschnitten 12 a, 120, 12c... 12 g besteht und die sowohl an den Längskalten aneinanderstoßen wie auch in Längsrichtung aif beiden Seiten einer Ebene durch die Achse des "ührungsteiles 22 gestaffelt sind. Die Formabschnite 12a... 12g können aus halbrunden Abschnitten einer Quarzröhre bestehen.

Jeder einzelne Formabschnitt ist sdbst wesentlich langer als das Führungsteil 22, so daß bei Längsbewegung eines Abschnittes durch cas Führungsteil

ao ein wesentlicher Teil des Formabsclnittes stets aus wenigstens einer Öffnung des Führmgsteiles herausragt.

An jedem Ende des Führungsteiles 22 sind Antriebsrollen oder ähnliche Mittel vagesehen, um die Formabschnitte durch das Führungsteil zu bewegen. Bei der abgebildeten Ausführung sind die Antriebsrollen in Paaren 24 und 26 an der Eintritts- und Austrittsöffnung des Führungsteiles ingeordnet. Die Umfangsfläche der einzelnen Antriebsrollen wird vorzugsweise der äußeren Oberfläcle der Formabschnitte angepaßt und wird aus einem elastischen Material zum Zwecke der Fortbewegung der Formteile mittels Reibung ausgeführt. Die Geschwindigkeit der Antriebsrollen wird synchronisiert. Selbstverständlich können drei, vier oder mehr Rollen an jedem Ende des Führungsteiles vorgesehen werden.

Ein Futter 18', das bis auf die unbegrenzte Länge dem bereits beschriebenen gleicht, umgibt polykristalline Einsatzstäbe, die aufeinanderpassende Endflächen aufweisen und sowohl einfach aneinandergereiht als auch mechanisch verbunden werden können.

Zur Durchführung des Verfahrens wird der erste Einsatzstab mit einem Keimkristall an einem Ende in einen Abschnitt des Futters 18' eingesetzt, und zwei oder drei der Formabschnitte 12a.. .12g werden um Stab und Futter befestigt, um einen wesentlichen Teil der Stablänge einzuschließen. Darauf wird die Anordnung mit dem Keimkristall zuerst zwischen die Antriebsrollen 24 in den Einlaß des Führungsteiles 22 eingeschoben. Darauf werden das Heizelement 20 eingeschaltet und die Rollen in Tätigkeit gesetzt, so daß die Formabschnitte mit dem Futter und dem darin eingeschlossenen Einsatzstab in Längsrichtung innerhalb des Führungsteiles 22 bewegt werden. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, bewegt sich die Stirnfläche des Einsatzstabes mit fortschreitender Aufwärtsbewegung in die von der Induktionsspule 20 umgebene Zone unter Bildung einer geschmolzenen Zone, die sich fortschreitend entlang des Einsatzstabes während der Durchwanderung des Führungsteiles bewegt. Nachdem die Stirnfläche des Einsatzstabes die Erhitzungszone verlassen hat, erstarrt sie in einkristalliner Form. Mit fortschreitender Aufwärtsbewegung tauchen die Stirnflächen der Form 12' und der Einkristall aus dem Ausgang des Führungsteiles 22 auf und werden darauf von den Antriebsrollen 26 mitgenommen. Auf diese Weise

wird eine Antriebskraft auf die Elemente auch dann noch aufrechterhalten, wenn ihre Hinterkanten schon von den Antriebsrollen 24 freigegeben worden sind. Vorher wird ein zweiter Abschnitt des Einsatzstabes mit einem Futter und einem zusätzlichen halbzylinderförmigen Formabschnitt, wie bereits beschrieben, versehen und in die Vorrichtung eingeführt. Diese weiteren Elemente passieren die Rollen 24, werden in den Führungsteil hineingezogen und durchfahren die heiße Zone.

Die unteren Enden der Einsatzstababschnitte verbinden sich naturgemäß bei Durchquerung der geschmolzenen Zone, so daß der Einkristall als fortlaufender Stab erscheint. Der Einkristallstab kann in Teile von gewünschter Länge ohne Unterbrechung des Prozesses zerteilt werden. Es ist ersichtlich, daß auf diese Weise durch fortwährendes Zufügen von Einsatzstababschnitten, Formen und Futtersegmenten jede beliebige Menge von polykristallinen Einsatzstäben in Einkristalle durch einen kontinuierliehen Prozeß verwandelt werden können.

Um Unterbrechungen zu vermeiden, sollte das band- oder röhrenförmige Futter 18' mehrfach so lang sein als die einzelnen Einsatzstababschnitte, die in das Futter eingeführt und an die entsprechenden vorausgehenden Stababschnitte anstoßen.

Das Futtermaterial kann auch mehr oder weniger dauerhaft auf die inneren Oberflächen der Form 12 oder 12' aufgebracht werden. Dies erleichtert vor allem bei der in F i g. 2 gezeigten Vorrichtung den Beschickungsprozeß.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Zonenschmelzverfahren zum Umwandeln von mindestens einem polykristallinen Stab in einen Einkristall von innerhalb weiten Grenzen vorgegebenen Abmessungen, bei dem ein Keimkristall mit einem in einer Form befindlichen polykristallinen Stab in Berührung gebracht wird und eine durch einen Heizkörper erzeugte geschmolzene Zone, vom Keimkristall ausgehend, durch diesen Stab bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenraum zwischen Stab und Form mit einem elastischen feuerfesten Futter ausgefüllt wird, welches von dem Material der geschmolzenen Zone weder benetzt wird noch mit diesem chemisch reagiert, und daß, nachdem der Stab mit Form und Futter durch den Heizkörper geführt wurde, gegebenenfalls anschließend an den Stab und in Berührung mit ihm weitere polykristalline, in Formen und Futter eingeschlossene Stäbe durch den Heizkörper bewegt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Futter eine verwobene, verflochtene oder verfilzte anorganische Faser verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als verfilzte anorganische Faser anorganisches Papier verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Futter um den Stab bandförmig gewickelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Futter eine um den Stab passende Hülse verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Futter die Form belegt wird.

7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Form wenigstens im Bereich der geschmolzenen Zone durch einen von dem Heizkörper teilweise erhitzten Führungsteil geführt wird.

8. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Form mittels Rollen durch den Heizkörper geführt wird, welche außen an der Form anliegen.

9. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine in halbzylinderförmige Abschnitte geteilte Form verwendet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 747 971;
französische Patentschrift Nr. 1132 101;
Pf ann: Zone Meltign, 1958, S. 63/64.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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