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Vorrichtung zum tiegellosen Zonenschmelzen von Halbleiterstäben und
Verfahren zu deren Betrieb Zum Umkristallisieren bzw. Reinigen von Halbleiterstäben
hat sich das tiegellose Zonenschmelzverfahren bewährt. Dieses Verfahren besteht
darin, daß der zu behandelnde Halbleiterstab in vertikaler Lage so gehaltert wird,
daß nur an den Enden dieses Stabes eine Berührung mit den Halterungsorganen stattfindet
und daß durch eine den Stab konzentrisch umgebende Wärmequelle der Stab längs einer
im Vergleich zu seiner Gesamtlänge kurzen Zone aufgeschmolzen und die geschmolzene
Zone durch eine Relativverschiebung zwischen Stab und Wärmequelle allmählich durch
den gesamten Stab mit Ausnahme der mit den Halterungen in Berührung stehenden Teile
geführt wird. Dabei ist bereits vorgeschlagen worden, als Wärmequelle eine den Stab
längs seiner ganzen Länge umgebende, relativ zum Stab ruhende Induktionsspule und
einen den Stab innerhalb der Induktionsspule umschließenden und relativ zu diesem
axial verschiebbaren Graphitring zu verwenden, wobei der im Feld der Induktionsspule
erhitzte Graphitring infolge Einstrahlung in dem Stab die geschmolzene Zone erzeugt.
Bei dieser Anordnung tritt auf Grund der von dem Feld der Spule auf die geschmolzene
Zone ausgeübten ponderomotorischen Kräfte eine zusammenhaltende Wirkung des Spulenfeldes
auf die geschmolzene Zone auf.
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Es ist jedoch vorteilhaft, auf die Vermittlung eines Heizringes bei
der Erzeugung der geschmolzenen Zone zu verzichten und statt dessen die Induktionsspule
so kurz zu gestalten, daß sie bei entsprechender Stromzufuhr durch unmittelbare
Induktion den .Stab längs der gewünschten Zone aufschmilzt. Um die geschmolzene
Zone durch den Stab hindurchzuführen, wird die Induktionsspule relativ zum Stab
in Achsenrichtung des Stabes verschoben. Auch in diesem Falle tritt eine Kraftwirkung
auf die geschmolzene Zone auf. Die Gestalt der magnetischen Feldlinien wird durch
die Anwesenheit der Schmelzzone so verändert, daß diese an der Oberfläche der Schmelzzone
dem Profil der Schmelzzone entspricht, also parallel zu diesem verlaufen, wie aus
F i g. 1 ersichtlich ist. Verlaufen aber die magnetischen Kraftlinien parallel zur
Oberfläche eines Körpers, so rufen sie eine Druckkraft auf diese Oberfläche aus.
Da nun im mittleren Teil der geschmolzenen Zone zwischen Ausbauchung und der durch
die Ausbauchung bedingten Einschnürung im oberen Teil der Schmelzzone ein Gebiet
der Oberfläche der Schmelzzone existiert, bei dem die Feldkraft schräg nach unten
drückt und deshalb eine die Schwerkraft unterstützende, die Ausbauchung vergrößernde
Komponente hat, ist es zweckmäßig, die Druckkraft an dieser Stelle möglichst klein
zu machen.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum tiegellosen Zonenschmelzen
eines vertikal gehalterten Stabes aus halbleitendem Material durch eine sich über
den Stabquerschnitt erstreckende und längs der Stabachse zu verschiebende geschmolzene
Zone, die von den nicht aufgeschmolzenen Stabteilen frei getragen und von einer
einzigen, den Stab koaxial umschließenden, mit Hochfrequenz betriebenen Spule mit
einer der Länge der geschmolzenen Zone vergleichbaren Länge auf induktivem Wege
erzeugt und gleichzeitig gestützt ist. Gemäß der Erfindung ist dabei vorgesehen,
daß die die geschmolzene Zone umschließende Induktionsspule am unteren Teil der
geschmolzenen Zone dichter als am oberen Teil gewickelt ist, wobei vorzugsweise
die Spulenwindungen im unteren Teil einen kleineren Durchmesser als im oberen Teil
der Spule besitzen.
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Hierdurch wird erreicht, daß die Stützwirkung des Spulenfeldes am
unteren Ende der Schmelzzone am intensivsten ist, während sie nach oben entsprechend
der Abnahme des hydrostatischen Druckes in der Schmelzzone ebenfalls abnimmt, was
in erheblichem Maße zu einer Vergleichmäßigung der Gestalt der Schmelzzone beiträgt.
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Wenn die die geschmolzene Zone erzeugende Induktionsspule wie üblich
gleichmäßig gewickelt ist, ist der Druck auf den mittleren und oberen Teil der Schmelzzone
nicht kleiner als auf den unteren Teil dieser Zone. Dies ist in F i g. 1 dargestellt,
wo ein Halbleiterstab 1 aus Germanium oder Silicium, der am oberen und unteren Ende
gehaltert und während der Durchführung des Zonenschmelzverfahrens in
Richtung
des Pfeiles 2 gedreht wird, durch eine geschmolzene Zone 3 behandelt Wird. Die geschmolzene
Zone zeigt in ihrem unteren Teil eine starke Ausbauchung, im oberen Teil dagegen
eine Einschnürung. Die Feldlinien des von der Heizspule 4 erzeugten Feldes
sind durch gestrichelte Linien dargestellt und haben sowohl im- oberen Teil der
-Ausbauchung als auch dort, wo die Ausbauchung in die Taille übergeht, eine hohe
Dichte und erzeugen dort eine hohe Druckwirkung.
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Ist jedoch die Spule erfindungsgemäß etwa entsprechend F i g. 2 gestatlet,
so daß also die Wicklungsdichte dieser Spule von unten nach oben abnimmt, so wird.der
Felddruck von unten nach oben stark abnehmen, so daß sowohl die Ausbauchung als
auch die Taille der Schmelzzone wesentlich schwächer 'ausgebildet sind, als dies
bei einer von einer gleichmäßig gewickelten Spule erzeugten Schmelzzone von gleichen
Abmessungen der Fall ist. Demzufolge wird auch die Oberfläche am Übergang zwischen
Ausbauchung und Taille schwächer gegen die Vertikale geneigt und die nach unten
gerichtete Komponente des Felddruckes.. an dieser Stelle erheblich abgeschwächt.
Somit wird durch die Anordnung gemäß der Erfindung nicht nur die Stützkraft rationeller
über die geschmolzene Zone verteilt, sondern auch ein gleichmäßigeres Profil der
geschmolzenen Zone sowie eine erhöhte Sicherheit gegen ein Abtropfen erreicht.
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In F i g. 2 bedeutet 5 die Spule, deren Wicklungsdichte von unten
nach oben abnimmt, während gleichzeitig der Querschnitt der einzelnen Spulenwicklungen
von unten nach oben zunimmt, wodurch die angestrebte Wirkung noch verstärkt werden
kann.
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Es empfiehlt sich ferner, unterhalb der Spule eine ringförmige Kühlschlange
vorzusehen, so daß die Schmelzzone nicht über das untere Ende der Spule hinausragen
kann. Zweckmäßig wird die Spule gemäß F i g. 2 in Richtung des Pfeiles 7 nach unten
bewegt. Es empfiehlt sich dann außerdem, am oberen Ende der Spule Mittel zur zusätzlichen
Erwärmung der Schmelzzone, z. B. durch Strahlung, vorzusehen, da dann der Verlauf
der Erstarrungsfläche an der oberen Begrenzung der Schmelzzone abgeflacht wird,
was für eine ungestörte Kristallbildung günstig ist. Schließlich kann es zweckmäßig
sein, den oberen oder unteren Wicklungsteil der Spule mit Strömen unterschiedlicher
Frequenz zu betreiben.
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Schließlich ist auch die Anordnung eines Kurzschlußringes, der den
umzuschmelzenden Stab oberhalb der eigentlichen, die geschmolzene Zone erzeugenden
Induktionsspule konzentrisch umgibt, zweckmäßig. Dieser Ring wirkt infolge gegenläufiger,
in ihm induzierter Ströme auf das elektromagnetische Feld in seiner unmittelbaren
Umgebung schwächend ein: Es ist deshalb selbst bei Anwendung -einer zylindrischen,
-homogen- gewickelten Spule möglich, .das elektromagnetische Feld, und damit dessen
ponderomotorische Kräfte, am oberen Rand der geschmolzenen Zone in entsprechender
Weise zu schwächen und auf diese Weise eine Kraftverteilung über die Oberfläche
der geschmolzenen Zone und damit eine Gestalt der geschmolzenen Zone zu erzielen,
die der vorteilhaften, durch eine Spule entsprechend F i g. 2 erreichten Kraftverteilung
und damit der Gestalt der Schmelzzone ähnlich ist.