DE1210415B - Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen eines durch Ziehen aus der Schmelze erhaltenen Halbleiterstabes - Google Patents

Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen eines durch Ziehen aus der Schmelze erhaltenen Halbleiterstabes

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DE1210415B
DE1210415B DES44099A DES0044099A DE1210415B DE 1210415 B DE1210415 B DE 1210415B DE S44099 A DES44099 A DE S44099A DE S0044099 A DES0044099 A DE S0044099A DE 1210415 B DE1210415 B DE 1210415B
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int, Cl.:
BOIj
hf KL: IZc-2,
Nummer; 121Q4J5
Aktenzeichen: S 44099IV ς/12 e
Anmeldetag; 26. Mai 1955
Auslegetag; 10. Februar 1966
Es ist bekannt kristaUisierbare Materialien dadurch zu reinigen bzw- in den einkristallinen Zustand überzuführen, indem man durch ©inen stabförmigen Körper des Materials eine geschmolzene Zone begrenzter Länge, welche den geamten Querschnitt des Stabes erfaßt, hindurehführt. Dieses Verfahren wird bevorzugt in der Halbleiterteehnik angewendet. Der Wunsch, die in der H&lbleitertechnik benötigten Materialien in möglichst reinem Zustand zu erhalten, hat dabei zur Entwicklung des sogenannten tiegellosen Zonenschmelzen? geführt.. Bei diesem wird die Schmelzzone durch einen in senkrechter Lag© nur an seinen Enden gehalterten Stab hindurchgeführt,
Bei einem Verfahren gum tiegellosen Zonenschmelzen eines durph Ziehen aus der Sehmeize erhaltenen Halbleiterstabes, der iji vertikaler Lage nur stellenweise an den beiden festen Stabteilen, insbesondere nur an seinen Enden gehaltert ist und durch den die Schmelzzone geführt wird, wird die Wirksamkeit des Verfahrens dadurch erhöht, daß der Weg der geschmolzenen Zone verlängert wird. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß der aufzuschmelzende Stabteii an seinem der Sehmelzzone gegenüberliegenden Ende mit einer in einem Tiegel befindlichen Schmelze des Halbleiters in ständiger Berührung gehalten und gleichzeitig oder abwechselnd mit dem Zonensehmelzvorgang von der Schmelze in an sieh bekannter Weise zurückgezogen wird.
In Fig, 1 bedeutet 1 einen Schmelztiegel aus Graphit, in welchem sich Silicium oder Germanium in geschmolzenem Zustande befindet. 2 ist ein mittels einer Heizspule 3 gesondert zu erwärmender Ansatz cies Schmelztiegels, aus welchem der Kristall 4 in Richtung des Pfeiles 5 in an sieh bekannter Weise gezogen wird, Der Kristall 4 wird oben mittels Rollen 15 und 16 gehaltert, welche in einem Lager 7 drehbeweglich gelagert sind und über einen Riemen 8 mittels eines Antriebsrades 9 in Umdrehungen versetzt werden. Hierdurch wird bewirkt, daß sich der Stab 4 in Richtung des Pfeiles 10. dreht. Der Vorgang des Kristallziehens wird in üblicher Weise durchgeführt.
Zusätzlich ist nun eine als Glühring ausgebildete Heizvorrichtung 11 vorgesehen, welche eine schmale Zone des Stabes 4 zum Schmelzen bringt und die in Richtung des Pfeiles 12 nach unten verschoben wird. Durch Hindurchziehen der hierbei entstehenden Schmelzzone 13 durch das erstarrte Stück des gezogenen Einkristalls von oben nach unten wird dieser gereinigt, wobei sich die Verunreinigung im unteren, auf dem konischen Aufsatz 14 sitzenden Ende ansammelt. Die Rollenpaare 15 und 16 dienen gleich-Verfahren zum tiegellqsen Zonenschmelzen
eines durch Ziehen ays der Schmelze erhaltenen
Halbleiterstabes
Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin, und München,
München 2, Wittelsbaeherplatz. 2
ίο Als Erfinder benannt:
Dr. phil. Heinrieh Kniepkamp, Münehen-Solln;
Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. Günther Ziegler,
Erlangen
zeitig zum Transport d§s Stabes 4 nach oben: Sobald das Ritzel 17 mit seinem ringförmigen Träger 1$ nach unten verschoben wird und dabei das Zahnrad
ao 19 um einige Zähne dreht, wird das Rollenpaar 16 mittels des Riemens 20 mitgenommen, wobei der Stab einen Vorschub nach oben erfährt,
Es wird zunächst bei eingeschalteter Erhitzungsspule 3 in an sich bekannter Weise ein Kristallstab 4 aus dem Schmelztiegel! gezogen. Dann wird der Ziehvorgang unterbrochen:; gleichzeitig wird die Heizspule 3 ausgeschaltet. Infolgedessen erstarrt ein Teil der Schmelze innerhalb des Ansgtzrohres %, und zwar mindestens in dem konischen Bereich 14. Hierdurch ist der Stflb 4 unten fest gelagert, während er oben durch die Rollenpaare 15 und 16 gehaltert ist. Dann wird die Glühspule 11 vom oberen Ende nach unten bis an den Konus 14 verschoben, wobei sich die Schmelzzone 13 durch den Stab 4 hindurchbewegt. Dieser Vorgang kann gegebenenfalls wiederholt werden. Nach Beendigung des Zonenschmelz-Verfahrens wird die Heizspirale 3 eingeschaltet. Sobald das im Ansatz 2 und gegebenenfalls auch mindestens teilweise im Konus 14 befindliche Material wieder ganz geschmolzen ist, wird'der Einkristallziehvorgang ein Stück weit fortgesetzt usw.
Beim Wiederschmelzen des im unteren Teil des Konus 14 befindlichen Materials gehen die dort angesammelten Verunreinigungen, die durch das Zonenschmelzverfahren abgeschieden waren, in die Gesamtmase der Schmelze 21 des Tiegels 1 hinein, so daß diese sich grundsätzlich dauernd mit Verunreinigungen anreichern müßte. Dem wird teilweise dadurch entgegengewirkt, daß aus dem Vorratsbehälter 22 ständig vorgereinigtes Halbleitermaterial 23 nachgeliefert wird, was durch eine Schwimmeranordnung 24 automatisch bewirkt wird. Durch sie
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wird ein Ventil 25 an der öffnung des Vorratsbehälters 22 gesteuert. Unter Umständen kann an einer anderen Stelle des Schmelztiegels 1, welcher rechts abgebrochen gezeichnet ist, die verunreinigte Schmelze abgezogen werden, bevor das neue Schmelzmaterial 5 nachgeliefert wird. Auf diese Weise können beliebig lange Stäbe 4 in einem fortlaufenden Prozeß von gleichbleibender Reinheit und kristalliner Beschaffenheit gezogen werden. Die oberen Stabenden können nach Bedarf zwischendurch abgeschnitten werden.
Es können auch mehrere Halterungsorgane vorgesehen sein und mehrere Schmelzzonen gleichzeitig durch den Stab gezogen werden. Die Heizspirale 3 kann in Fortfall kommen, wenn die Heizspirale 11 selbst ihre Funktion mit übernimmt. Durch Anordnung einer zusätzlichen Halterung am unteren Ende und entsprechende Bewegung sämtlicher Halterungsorgane in Ziehrichtung kann der Kristallziehvorgang auch kontinuierlich gleichzeitig mit der Durchfüh-. rung desZonenschmelzvorganges ausgeführt werden. ao
Bei dem Ausführungsbeispiel' gemäß Fig. 2 wird der erstarrende Halbleiterkristall, gegebenenfalls Einkristall, nach unten aus einem Schmelztiegel 31 herausgezogen, in dem sich die Halbleiterschmelze 41 befindet. Aus den beiden Öffnungen 32 und 33 werden fortlaufend Stäbe nach unten gezogen; die Stäbe sind an den oberen und unteren Enden gelagert, wie es an Hand des Beispiels 1 geschildert worden ist. Insbesondere sind in diesem Fall sich verjüngende Konusse 34 und 35 vorgesehen; die Andruckrollenpaare 36 und 37 haben entsprechende Funktionen wie diejenigen 15 und 16 gemäß der Fig. 1. Die mittels der Heizspiralen 38 und 39 erzeugten Schmelzzonen werden bei den beiden Stäben in entgegengesetzter Richtung bewegt, was durch die Pfeile 40 und 41 angedeutet ist. Hierdurch wird bewirkt, daß die Verunreinigungen im linken Stab an das untere Ende und im rechten Stab an das obere Ende transportiert werden. Während der rechte Stab unten zur Verarbeitung benutzt wird, dient der Unke Stab der Rückgewinnung zu Schmelzmaterial, welches durch die Öffnung 42 dem Tiegel 41 wieder zugeführt wird. Die ganze Apparatur ist in ein Gehäuse 43 eingebaut, das mit einem geeigneten Schutzgas gefüllt ist, welches vorzugsweise Überdruck besitzt, damit die Schmelze an den Öffnungen 33 und 34 nicht abtropft. 44 bedeutet ein Druckmanometer, 45 und 46 Schutzgasschleusen, die in Richtung des Pfeiles 47 vom Schutzgas durchströmt werden, um zu verhindern, daß Luft in das Gehäuse 43 dringt. Sinngemäß kann die doppelte Stabanordnung nach F i g. 2 auch auf das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 übertragen werden.

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen eines durch Ziehen aus der Schmelze erhaltenen Halbleiterstabes, der in vertikaler Lage ,nur stellenweise an den beiden festen Stabteilen, ins-1 besondere nur an seinen Enden gehaltert ist und durch den die Schmelzzone geführt wird, d a durch gekennzeichnet, daß der aufzuschmelzende Stabteil an seinem der Schmelzzone gegenüberliegenden Ende mit einer in einem Tiegel befindlichen Schmelze des Halbleiters in ständiger Berührung gehalten und gleichzeitig oder abwechselnd mit dem Zonenschmelzvorgang von der Schmelze in an sich bekannter Weise zurückgezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halterung für den aufzuschmelzenden Stabteil, der an seinem unteren Ende mit dem Tiegel verbunden ist, eine am Schmelzgefäß angebrachte halsartige, insbesondere konisch verlaufende Öffnung verwendet wird, durch die der stabförmige Kristall die Schmelze im Tiegel nach oben verläßt und deren Temperatur während des Ziehvorgangs und dem abwechselnd mit dem Ziehvorgang vorzunehmenden Zonenschmelzen derart unterschiedlich eingestellt wird, daß während des Ziehvorganges das in der Halterung befindliche Material flüssig, während des Zonenschmelzen dagegen fest ist, daß ferner die geschmolzene Zone während des tiegellosen Zonenschmelzen in Richtung auf diese Halterung wandert und so weit in die Halterung hineingeführt wird, daß die Schmelzzone Verunreinigungen in die im Tiegel befindliche Schmelze abgibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der im Schmelztiegel anwesenden Schmelze verunreinigtes Material entnommen und neues reines Material zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichzeitigem Zonenschmelzen und Ziehen des Kristallstabes aus der im Tiegel befindlichen Schmelze die Wandergeschwindigkeit der geschmolzenen Zone der Ziehgeschwindigkeit angepaßt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel mit dem oberen Ende des aufzuschmelzenden Stabteiles verbunden ist und der Stabteil durch eine sich nach unten verjüngende halsartige Öffnung nach unten gezogen wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
609 507/233 2.66 © Bundesdruckerei Berlin
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