DE1205955B

DE1205955B - Process for crucible-free zone melting of a silicon rod doped with phosphorus in a vacuum

Info

Publication number: DE1205955B
Application number: DES71478A
Authority: DE
Inventors: Dr Arnulf Hoffmann; Dr Konrad Reuschel; Otto Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1960-11-30
Filing date: 1960-11-30
Publication date: 1965-12-02
Also published as: GB948289A; CH409884A; BE609336A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES <^T^S PATENTAMTFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY GERMAN <^ T ^ S PATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. α.:Int. α .:

COIbCOIb

Deutsche Kl.: 12 i-33/02German class: 12 i-33/02

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:Number:
File number:
Registration date:
Display day:

1205 955
S 71478IV a/12 i
30. November 1960
2. Dezember 19651205 955
S 71478IV a / 12 i
November 30, 1960
December 2, 1965

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines mit Phosphor dotierten Siliciumstabes im Vakuum, bei dem der Phosphorgehalt über die eine konstante Querschnittsgröße aufweisende Stablänge gleichmäßig verteilt ist. Ein solches Verfahren kann bekanntlich unter anderem dazu benutzt werden, dem Stab eine einkristalline Struktur zu geben oder die Dotierungskonzentration über den Stabquerschnitt zu vergleichmäßigen oder die Dotierungskonzentration herabzusetzen. Die Entwicklung des Zonenschmelzens war bisher gekennzeichnet durch das Streben nach höheren Werten der Ziehgeschwindigkeit zwecks Verkürzung der Behandlungszeit. Dabei ergab sich aber wegen des von 1 verschiedenen Verteilungskoeffizienten von Phosphor in Silicium eine Störung der Gleichmäßigkeit der Längsverteilung dieses Dotierungsstoffes im Stab. Es ist bekannt, die Gleichmäßigkeit der Längsverteilung durch das sogenannte »zone-levelling« wiederherzustellen, das darin besteht, daß der Stab mehreren Zonendurchgängen in entgegengesetzten Richtungen unterworfen wird. Demgegenüber läßt sich mit der Erfindung eine wesentliche Vereinfachung erzielen.The invention relates to a method for crucible-free zone melting of a phosphor doped with Silicon rod in a vacuum, in which the phosphorus content over the constant cross-sectional size Rod length is evenly distributed. Such a process is known to include, among other things can be used to give the rod a monocrystalline structure or the doping concentration to equalize over the rod cross-section or to reduce the doping concentration. The development of zone melting has so far been characterized by the pursuit of higher values of the Pulling speed to shorten the treatment time. But because of the different from 1 Distribution coefficient of phosphorus in silicon disrupts the uniformity of the longitudinal distribution this dopant in the rod. It is known through the uniformity of the longitudinal distribution to restore the so-called "zone-leveling", which consists in allowing the staff to pass through several zones is subjected in opposite directions. In contrast, with the invention achieve a substantial simplification.

Die Erfindung besteht darin, daß mit einem Vakuum von weniger als 10~³ mm Hg gearbeitet und die Länge der Schmelzzone während ihrer Wanderung konstant sowie die Ziehgeschwindigkeit auf einem konstanten Wert zwischen 0,5 und 1,4 mm/ Min. gehalten wird. Hierdurch gelingt es überraschend, trotz verringerter Ziehgeschwindigkeit gegenüber der bisherigen Behandlungsweise die Gesamtdauer eines Prozesses zu verkürzen, weil man mit einer kleinstmöglichen Anzahl von Zonendurchgängen auskommt, unter Umständen sogar mit einem einzigen Zug. Das neue Verfahren ermöglicht unter anderem eine gezielte Dotierung, ausgehend von beispielsweise vorrätigen Stäben mit einer gegebenen Dotierungskonzentration, durch nachträgliche Verminderung der letzteren mittels Zonenschmelzen, und zwar mit einer wählbaren kleinstmöglichen Anzahl von Zonendurchgängen, ohne daß durch diese Behandlung die vorher vorhandene Gleichmäßigkeil über die Länge des Stabes in unerwünschtem Maße beeinträchtigt wird. Dabei wird von der Beobachtung, daß das Abdampfen von Dotierungsstoff einer Anreicherung der Schmelzzone mit demselben entgegenwirkt, in besonders vorteilhafter Weise Gebrauch gemacht, da wegen der Konstanz der wirksamen Einflußgrößen ein weitgehend selbsttätiger Ablauf des Prozesses mit einfachen Mitteln sichergestellt werden kann.The invention consists in operating with a vacuum of less than 10 ^-3 mm Hg and keeping the length of the melt zone constant during its migration and the drawing speed being kept at a constant value between 0.5 and 1.4 mm / min. This surprisingly succeeds in shortening the overall duration of a process in spite of the reduced drawing speed compared to the previous method of treatment, because one can manage with the smallest possible number of zone passes, possibly even with a single draw. The new method enables, among other things, targeted doping, based on, for example, available rods with a given doping concentration, by subsequent reduction of the latter by means of zone melting, with a selectable smallest possible number of zone passages, without this treatment affecting the previously existing uniform wedge over the length of the rod is adversely affected. The observation that the evaporation of dopant counteracts an enrichment of the melting zone with the same is used in a particularly advantageous manner, since a largely automatic sequence of the process can be ensured with simple means because of the constancy of the effective influencing variables.

Zur Erläuterung des neuen Verfahrens ist in Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines mit Phosphor dotierten Siliciumstabes
im VakuumTo explain the new process, see Process for crucible-free zone melting of a silicon rod doped with phosphorus
in a vacuum

Anmelder:Applicant:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,
ίο Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,
Berlin and Erlangen,
ίο Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:
Dr. Arnulf Hoffmann, München;
Dr. Konrad Reuschel, Pretzfeld;
Otto Schmidt, ErlangenNamed as inventor:
Dr. Arnulf Hoffmann, Munich;
Dr. Konrad Reuschel, Pretzfeld;
Otto Schmidt, Erlangen

F i g. 1 ein Teil eines Siliciumstabes dargestellt, der einem tiegelfreien Zonenschmelzprozeß unterworfen wird. Der Verlauf der Dotierungskonzentration über die Stablänge vor und nach einem Zonendurchgang ist beispielsweise aus F i g. 2 zu ersehen.F i g. 1 shows a part of a silicon rod which is subjected to a crucible-free zone melting process. The course of the doping concentration over the rod length before and after a zone passage is, for example, from FIG. 2 can be seen.

Nach F i g. 1 wird eine Schmelzzone mit der konstanten Länge Z und dem mittleren Zonendurchmesser d mit konstanter Ziehgeschwindigkeit vom Anfangspunkt Null in Pfeilrichtung durch einen Siliciumstab mit konstantem Querschnitt hindurchgeführt. Die behandelte Stablänge L reicht von der Stelle x=0, das ist derjenige Stabquerschnitt, der bei Beginn der Zonenwanderung zuerst erstarrt, bis zu der Stelle x=L, das ist derjenige Querschnitt, der bei Beendigung des Zuges die Grenze zwischen der Schmelzzone und dem wiedererstarrten Material bildet.According to FIG. 1, a melting zone with the constant length Z and the mean zone diameter d is passed through a silicon rod with a constant cross section at a constant pulling speed from the starting point zero in the direction of the arrow. The treated rod length L extends from the point x = 0, that is the rod cross-section which solidifies first at the beginning of the zone migration, to the point x = L, that is the cross-section which, at the end of the pull, the boundary between the melting zone and the resolidified material forms.

Darunter ist in F i g. 2 mit gleichem Abszissenmaßstab der Konzentrationsverlauf C₁ (x) des Phosphors im Siliciumstab über der Länge L aufgetragen. Die vor der Behandlung vorhandene, gegebenenfalls über den Stabquerschnitt gemittelte Phosphorkonzentration C₀ sei über die Stablänge L konstant angenommen. Während sich nun bei den bisher üblichen höheren Werten der Ziehgeschwindigkeit von einigen mm/Min, ein Konzentrationsverlauf entsprechend dem ausgezogenen Kurvenzug ABCD ergibt, weil beim Durchwandern des ersten Teiles des Stabes weniger Phosphor abdampft als durch Anreicherung der Schmelzzone hinzukommt, wird mit der erfindungsgemäßen Wahl einer geringeren Ziehgeschwindigkeit eine von Anfang an nahezu waagerecht ver-Below is in FIG. 2, the concentration _{curve C 1} (x) of the phosphorus in the silicon rod plotted over the length L with the same abscissa scale. _{The phosphorus concentration C 0} present before the treatment, possibly averaged over the rod cross-section, is assumed to be constant over the rod length L. While the higher values of the drawing speed of a few mm / min, which have been customary up to now, result in a concentration profile corresponding to the drawn-out curve ABCD , because less phosphorus evaporates when passing through the first part of the rod than is added by enrichment of the melt zone lower pulling speed an almost horizontally

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laufende Konzentrationsverteilung längs des Stabes gemäß der gestrichelten Linie A -E erzielt, weil die Schmelzzone infolge nahezu vollständiger Kompensation von Anreicherung und Abdampfung einen konstanten Phosphorgehalt aufweist und während des ganzen Durchganges durch die behandelte Stablänge L behält, so daß das Verhältnis der Konzentrationen vor und nach dem Passieren der Schmelzzone nicht nur an der Stelle A, sondern überall gleichcontinuous concentration distribution along the rod according to the dashed line A-E achieved because the melting zone has a constant phosphorus content due to almost complete compensation of enrichment and evaporation and remains during the entire passage through the treated rod length L , so that the ratio of the concentrations before and after passing through the melting zone not only at point A, but the same everywhere

dem Kehrwert η- des Verteilungskoeffizienten ist.is the reciprocal value η- of the partition coefficient.

Der untere Grenzwert der Ziehgeschwindigkeit von 0,5 mm/Min, ist hauptsächlich durch Wirtschaftlichkeitserwägungen gegeben, ferner darf die Geschwindigkeit auch deswegen nicht geringer sein, weil sonst die bekannten Nachteile einer stehenden Schmelzzone auftreten können. Die obere Grenze von 1,4 mm/ Min. ist dadurch bedingt, daß sich die Abweichungen von einem konstanten Wert der Dotierungskonzentration und damit des spezifischen Widerstandes längs einer gegebenen Stablänge in erträglichen Grenzen (etwa kleiner als 20%) halten. Sollen wesentlich kleinere Toleranzen eingehalten werden, so ist die Ziehgeschwindigkeit in einem engen Bereich zu wählen, nämlich zwischen 0,7 und 1,2 mm/Min.The lower limit of the pulling speed of 0.5 mm / min, is mainly due to economic considerations given, furthermore, the speed must not be lower because otherwise the known disadvantages of a standing melt zone can occur. The upper limit of 1.4 mm / Min. Is due to the fact that the deviations from a constant value of the doping concentration and thus the specific resistance along a given rod length within tolerable limits (about less than 20%) hold. If significantly smaller tolerances are to be adhered to, the Select the drawing speed in a narrow range, namely between 0.7 and 1.2 mm / min.

Claims

Claims: 5

1. A method for crucible-free zone melting of a silicon rod doped with phosphorus in a vacuum, in which the rod length to be treated has a constant cross-sectional size and a uniform longitudinal distribution of the phosphorus content, characterized in that a vacuum of less than 10 ~ ³ mmHg is used, the length of the Melting zone is kept constant during its migration and the drawing speed is kept at a constant value between 0.5 and 1.4 mm / min.

2. The method according to claim 1, characterized in that the drawing speed is on a value between 0.7 and 1.2 mm / min,

will hold.

Considered publications:
German interpretative document No. 1 032 555.

1 sheet of drawings