DE1217338B - Verfahren zum Zonenschmelzen in einem schiffchenfoermigen Tiegel - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

BOId

Deutsche Kl.: 12 c-2

Nummer: 1217 338

Aktenzeichen: N18453IV c/12 c

Anmeldetag: 7. Juni 1960

Auslegetag: 26, Mai 1966

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Stabes aus schmelzbarem Material, insbesondere schmelzbarem Halbleitermaterial, bei dem das Material in einem schiffchenförmigen Tiegel angeordnet wird und bei dem wenigstens eine geschmolzene Zone durch das Material in der Längst richtung des Tiegels hindurchgeführt wird.

Derartige Zonenschmelzprozesse sind unter anderem beschrieben in dem Buch von W, G.Pf $ η η: »Zone melting« (John Wiley and Sons Inc., 1958) und werden unter anderem dazu verwendet, ein Material zu reinigen, eine gewünschte Konzentration einer Verunreinigung in einem Material zu erzielen oder ein Material in die Einkristallform zu bringen. Es wird dabei häufig ein schiffchenförmiger Tiegel, im allgemeinen aus einem feuerfesten Material, wie Graphit oder Siliciumdioxyd, verwendet, in dem das schmelzbare Material über einen Teil seiner Länge erhitzt wird, um in dem Material eine geschmolzene Zone zu erhalten. Durch Verschieben der Erhitzungsmittel in der Längsrichtung des Tiegels kann die geschmolzene Zone durch das Material geschoben werden, wobei das Material an einer Seite der Zone allmählich schmilzt und an der anderen Seite allmählich erstarrt. Es ist dabei wesentlich, daß das Abschmelzen und das Erstarren sich allmählich vollziehen, wobei die Schmelze in dem Teil innerhalb des Tiegels zwischen den festen Teilen des Materials beiderseits der Zone bleibt und nicht zwischen das feste Material und die Innenseite des Tiegels gelangen kann, was zu Unregelmäßigkeiten in der Segregation von Verunreinigungen oder in dem Wachstum einkristallinen Materials Anlaß geben würde. Daher muß das in den Tiegel eingeführte Material möglichst genau an den Tiegel anschließen und einen möglichst geringen Spielraum an der Tiegelwand aufweisen, Weiter muß das Material nach der Behandlung, wenn es die Form eines massiven Stabes angenommen hat, bequem aus dem Tiegel entfernt werden können. Dazu ist bei dem bekannten Tiegel der Innendurchmesser auf der oberen Seite des Tiegels im allgemeinen größer als auf der unteren Seite, wie bei Tiegeln mit halbkreisförmigem Querschnitt, Trotzdem hat es sich gezeigt, daß ein in einem solchen Tiegel hergestellter Stab öfters festgeklemmt war. Weiter ist es schwierig oder beansprucht wenigstens sehr viel Arbeit, das Material in Form eines Stabes anzubringen, der genau in den Tiegel paßt. Die Erfindung bezweckt unter anderem, diese Nachteile zu beseitigen.

Das Verfahren zum Herstellen eines Stabes aus schmelzbarem Material, insbesondere schmelzbarem Halbleitermaterial, bei dem das Material in einem Verfahren zum Zonenschmelzen in einem
schiffchenförmigen Tiegel

Anmelder:

N. V, Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,

Hamburg 1, Mönekebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Noel George Anderson,

Chandlers Ford, Southampton Hants;

David Gray,

Portswood, Southampton Hants (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 8, Juni 1959 (19 525)

schiffchenförmigen Tiegel angeordnet wird und bei dem wenigstens eine geschmolzene Zone durch das Material in der Längsrichtung des Tiegels hmdurchgeführt wird, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Zonenschmelzen durchgeführt wird in einem schiffchenförmigen Tiegel, der zwei einander gegenüberliegende, flache, schräg emporsteigende Innenwände hat, die sich parallel zur Längsrichtung des Tiegels erstrecken und am Boden des Tiegels zusammentreffen. Zum Einführen z, B, eines zu behandelnden Stabes genügt es, dafür zu sorgen, daß der Stab zwei einandergrenzende, in der Längsrichtung verlaufende Seitenflächen hat, die untereinander einen Winkel einschließen, der gleich dem Winkel ist, den die beiden flachen Wände des Tiegels miteinander bilden. Da bei Erhitzung oder bei Abkühlung des Tiegels und des Stabs diese beiden Winkel konstant bleiben, wird die Anpassung

beibehalten, und die Gefahr eines Festklemmens ist dabei gering. Vorzugsweise bilden die Innenwände des Tiegels einen Winkel von etwa 90°, z.B. zwi-

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sehen 85° und 95°, miteinander. Bei Verwendung Als Seitenflächen können auch zwei natürliche von Winkeln, die nicht kleiner als etwa 90° sind, Kristallflächen des Keimkristalls verwendet werden, wird die Gefahr eines Festklemmens weiter verringert. wobei ein Tiegel benutzt wird, dessen sich parallel Die durch Zonenschmelzen in einem derartigen Tie- zur Längsrichtung erstreckende Innenwände einen gel erhaltenen Stäbe weisen zwei sich in der Längs- 5 'Winkel einschließen, dessen Größe gleich der des richtung erstreckende flache Seiten auf, die einen Winkels zwischen den beiden natürlichen Kristall· Winkel von etwa 90° einschließen. Infolgedessen ebenen ist. Es kann weiter ein Teil eines Kristalleignet sich das Verfahren insbesondere zur Herstel- Stabes als Keimkristall verwendet werden, der in lung von Stäben aus halbleitendem Material, die als einem Tiegel nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Ausgangsmaterial für Halbleiteranordnungen, wie io hergestellt ist, wobei ein Tiegel benutzt wird, dessen z. B. Transistoren und Dioden, verwendet werden, Steitenwände einen gleichen Winkel einschließen wie da ein solcher Stab mit beschränktem Materialverlust der Tiegel, in dem der Keimkristall hergestellt worin wenigstens nahezu rechteckige Körper zur Ver- den ist.

wendung in Halbleiteranordnungen zerteilt werden Die Erfindung wird nachstehend an Hand der

kann, was weiter unten näher erläutert wird. 15 Zeichnungen näher erläutert, in deren schiffchenför-

Es sei noch bemerkt, daß ein Tiegel der oben be- mige Tiegel zur Verwendung beim Zonenschmelzen, schriebenen Form an sich bekannt war zur Verwen- teilweise im Schnitt senkrecht zur Längsrichtung, dung in Bedampfungsgeräten. Dabei wurde beab- teilweise in perspektivischer Ansicht, und Stäbe, die sichtigt, den Gasquerschhitt zwischen Verdampfungs- durch Zonenschmelzen in diesen Tiegeln hergestellt quelle und zu bedampfendem Material zunehmen zu 20 sind, in zur Längsrichtung senkrechetem Schnitt verlassen und eine etwaige Reflexion des Gasstromes anschaulicht sind,
möglichst zu vermeiden. Fig. 1 zeigt einen schiffchenförmigen Tiegel, der

In der Praxis werden Zonenschmelzbehandlungen beim Zonenschmelzen bekannter Art verwendet

und etwaige andere Schmelzbehandlungen eines be- wurde;

stimmten Materials'nicht stets in demselben Tiegel 25 Fig. 2 zeigt einen stabförigen Körper schmelzdurchgeführt. Es wird z.B. bei der Herstellung von baren Materials, der in dem in Fig. 1 dargestellten Germaniumstäben in der Praxis zunächst pulvriges Tiegel hergestellt ist;

Germanium durch Reduktion von Germaniumoxyd Fig.3 zeigt ein Beispiel eines Tiegels, geeignet zur

mit Wasserstoff in einem schiffchenförmigen Tiegel Verwendung beim erfindungsgemäßen Zonenschmel-

hergestellt und darin nachträglich in Form eines 30 zen;

Stabs verschmolzen. Darauf wird das Germanium in Fig. 4 zeigt ein anderes Beispiel eines solchen

einem weiteren schiffchenförmigen Tiegel durch Tiegels;

Zonenschmelzen gereinigt und darauf wieder in F i g. 5 zeigt im Querschnitt einen im Tiegel nach

einem anderen schiffchenförmigen Tiegel in die Ein- Fig. 3 oder 4 durch Zonenschmelzen hergestellten

kristallform gebracht, wobei außerdem durch Zusatz 35 stabförmigen Körper aus einem schmelzbaren Ma-

einer wirksamen Verunreinigung zum Germanium terial.

ein bestimmter Leitfähigkeitstyp und eine bestimmte, Der in Fig. 1 veranschaulichte, schiffchenförmige

spezifische Leitfähigkeit erhalten werden. Bei den Tiegel bekannter Art, der z. B. aus Graphit bestehen

Tiegeln bekannter Art ist es schwierig, verschiedenen kann, hat eine Innenseite, die gemäß dem veran-

Tiegeln die gleiche Gestalt der Innenwandung zu 40 schaulichten Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung

erteilen. Dies bringt die Möglichkeit mit sich, daß des Tiegels drei sich in der Längsrichtung des Tie-

der in einem Tiegel durch die Schmelzbehandlung _gei_s erstreckende Wände hat, d. h. eine gekrümmte

erhaltene Stab nicht in den weiteren Tiegel paßt. Wand 1, welche den Boden des Tiegels bildet und

Werden in diesem Falle Tiegel nach dem erfindungs- die in zwei nahezu flache, schräg auflaufende Wände

gemäßen Verfahren benutzt, so genügt es zum 45 2 und 3 übergeht, die sich bis zur offenen oberen

Sichern einer guten Einpassung in den weiteren Tie- Seite 4 des Tiegels erstrecken,

geln, dafür zu sorgen, daß die beiden Innenwände Fig. 2 zeigt im Querschnitt einen durch Zonen-

jedes Tiegels, die sich parallel zur Längsrichtung des schmelzen in dem in Fig. 1 veranschaulichten Tiegel

Tiegels erstrecken, bei den verschiedenen anzuwen- hergestellten Stab aus schmelzbarem Material, z. B.

denden Tiegeln einen Winkel gleicher Größe ein- 5° einkristallinem, halbleitendem Material. Die ge-

schließen, welche Bedingung bei der Herstellung die- krümmte untere Seite 5 und die nahezu flachen Seiten

ser Tiegel kerne besonderen Schwierigkeiten mit sich 6 und 7 entsprechen den Innenwänden 1, 2 und 3

bringt. des Tiegels nach Fig. 1. Die obere Seite8 hat im

Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich ins- allgemeinen eine einigermaßen unregelmäßige Form,

besondere zur Herstellung eines Einkristallstabs 55 Bei der in F i g. 1 und in F i g. 2 dargestellten Gestalt

durch Zonenschmelzen unter Anwendung eines des Tiegels bzw. des Stabes liegt infolge der Differenz

Keimkristalls. Es wird dabei zum Sichern einer guten in dem Ausdehnungskoeffizienten des Stabmaterials

Einpassung vorzugsweise ein Keimkristall verwendet, und des Tiegelmaterials eine Gefahr des Festklem-

der zwei aneinandergrenzende flache Seiten hat, die mens vor, so daß der hergestellte Stab schwierig aus

miteinander einen Winkel derselben Größe bilden 60 dem Tiegel entfernt werden kann oder der Tiegel

wie die beiden flachen Innenwände des Tiegels. Diese infolge der auftretenden Spannung zerbricht,

flachen Seiten lassen sich gegebenenfalls bequem und F i g. 3 zeigt ein Beispiel eines schiffenchenförmi-

genau am Keimkristall anbringen. Es kann dabei gen, zur Verwendung beim Zonenschmelzen geeig-

leicht die gewünschte Kristallorientierung in dem neten Tiegels gemäß der Erfindung, der z. B. aus

herzustellenden Stab berücksichtigt werden, in dem 65 einem Graphitblock durch mechanische Bearbeitung

die flachen Seiten so. angebracht werden, daß die hergestellt ist. Der Querschnitt zeigt eine V-förmige

Grenzlinie parallel zur gewünschten Orientierungs- Innenseite, die durch zwei gerade, sich am Boden des

richtung verläuft, in der der Kristall anwachsen soll. Tiegels begegnende Linien gebildet werden, welche

zwei flachen Innenwänden 10 und 11 entsprechen, die einen Winkel 12 von 90° einschließen und die sich parallel zur Längsrichtung des Tiegels erstrecken. Die Endwände 13 haben eine gekrümmte Gestalt.

F i g. 4 zeigt ein anderes Beispiel eines zur Ver-Wendung beim Zonenschmelzen geeigneten Tiegels nach der Erfindung. Die Innenseite des Tiegels hat wieder zwei Wände 10 und 11, parallel zur Längsrichtung des Tiegels, welche Wände einen Winkel 12 von 90° einschließen. Der Tiegel besteht aus SiIiciumdioxyd und ist mit Endplatten 14 ebenfalls aus Siliciumdioxyd versehen, die auf übliche Weise festgeschmolzen sein können. Die Außenwände des Tiegels erstrecken sich parallel zu den entsprechenden Innenwänden. Der Tiegel kann durch Blöcke oder Füße aus Siliciumdioxyd abgestützt werden, welche Teile an den Außenwänden des Tiegels befestigt sind. Es ist auch möglich, Endplatten anzuwenden, die über die Seitenwände des V-förmigen Tiegels vorstehen und die z. B. eine rechteckige Gestalt haben können, so daß sie als Stützen für den Tiegel dienen können.

Der in F i g. 4 dargestellte Tiegel kann aus einem Quarzglasrohr mit einer rechteckigen Bohrung vorherbestimmter Gestalt und Abmessung hergestellt werden, welches Rohr durch ein an sich bekanntes Verfahren aus einem runden Rohr gebildet werden kann, indem ein Dorn angemessener Gestalt unter Erhitzung durch das Rohr geführt wird. Das Rechteckrohr kann in der gewünschten Lage abgeschnitten und in der Längsrichtung längs zwei einander gegenüberliegender Kanten durchgeschnitten werden, so daß zwei V-förmige Teile erhalten werden, worauf mindestens ein Teil mit Endplatten 14 und gewünschtenfalls mit Füßen 15 versehen werden kann.

F i g. 5 zeigt im Querschnitt einen stabförmigen Körper, der durch Zonenschmelzen in einem Tiegel nach den F i g. 3 oder 4 erhalten ist. Die flachen Seiten 16 und 17 und der Winkel 18 entsprechen den flachen Innenwänden 10 und 11 und dem Winkel 12 der Tiegel nach den F i g. 3 oder 4. Die obere Seite 19 des Stabes kann eine einigermaßen unregelmäßige Gestalt aufweisen.

Es wird einleuchten, daß es bedeutend leichter ist, einen stabförmigen Körper des zu behandelnden Materials oder einen Keimkristall derart zu bearbeiten, daß er genau in einen Tiegel nach den F i g. 3 und 4 paßt, als eine gute Passung bei dem bekannten Tiegel nach F i g. 1 zu erzielen. Es ist weiter einfach dafür zu sorgen, daß eine bestimmte Orientierung eines Keimkristalls gegenüber den Tiegeln der F i g. 3 und 4 erzielt wird, da zwei flache Seiten im allgemeinen genau angebracht werden können. Da eine so gute Einpassung eines stabförmigen Körpers oder eines Keimkristalls gesichert werden kann, ist beim Zonenschmelzen das Fließen des geschmolzenen Materials zwischen die Tiegelwand und den Stab oder den Keimkristall leicht zu verhüten. Es ist weiter einfach, zwei Tiegel gemäß F i g. 3 oder 4 gegenüber zwei Tiegeln nach F i g. 1 der gleichen inneren Gestalt herzustellen und einen Stab aus einem Tiegel genau in einen anderen Tiegel einzupassen, da die regel- mäßigen, flachen Seitenwände sich leicht genau unter einem bestimmten Winkel anbringen lassen.

Es ist weiter üblich, bei schiffchenförmigen Tiegeln zum Zonenschmelzen Einsatzstücke anzuwenden, um das Fließen geschmolzenen Materials in die nicht gefüllten Teile des Tiegels zu verhüten. Es ist ersichtlich, daß ein solches Einsatzstück leichter in einen Tiegel nach den Fig. 3 oder 4 eingepaßt werden kann als in einen Tiegel nach F i g. 1.

Eine ungleiche Ausdehnung des Tiegels und des Stabes nach Fig. 1 bzw. Fig. 2 infolge Änderung der Temperatur verursacht eine gegenseitige Bewegung der Punkte der Seitenflächen 6 und 7, welche Bewegungen teilweise nach den Wänden 2 bzw. 3 hin oder von diesen ab gerichtet sind, so daß entweder ein Festklemmen oder ein Spielraum entsteht.

Bei etwaiger ungleicher Ausdehnung oder Schrumpfung des Tiegels nach Fig. 3 oder 4 und des darin eingehenden Stabes nach Fig. 5 werden sich die Punkte der Seitenflächen 16 und 17 gegenüber dem Tiegel parallel zu den Seitenwänden 10 und 11 verschieben, wodurch kein Festklemmen des Stabes eintritt und die Anpassung beibehalten wird.

Wenn ein Einkristallstab aus Halbleitermaterial durch Zonenschmelzen hergestellt ist, wird er gewöhnlich längs zur Längsrichtung senkrechter Ebenen in Scheiben geteilt,wobei jede Scheibe gewöhnlich weiter in rechteckige Körper unterteilt wird, die bei der Herstellung von Halbleiterelektrodensystemen, wie Transistoren oder Dioden, verwendet werden. Es ist ersichtlich, daß beim Unterteilen einer Scheibe eines stabförmigen Körpers nach F i g. 2 in rechteckige Körper am ganzen Rande der Scheibe Material verlorengeht. Bei dem stabförmigen Körper nach F i g. 5 mit den zwei flachen Seiten 16 und 17, die einen Winkel von etwa 90° einschließen, können die Scheiben leicht längs zu den Seiten 16 und 17 paralleler Linien geteilt werden in etwa rechteckige Körper, wobei der Verlust an Material sich auf die obere Seite 19 beschränkt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Stabes aus schmelzbarem Material, insbesondere schmelzbarem Halbleitermaterial, bei dem das Material in einem schiffchenförmigen Tiegel angeordnet wird und bei dem wenigstens eine geschmolzene Zone durch das Material in der Längsrichtung des Tiegels hindurchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Zonenschmelzen durchgeführt wird in einem an sich bekannten schiffenförmigen Tiegel, der zwei einander gegenüberliegende, flache, schräg emporsteigende Innenwände hat, die sich parallel zur Längsrichtung des Tiegels erstrecken und am Boden des Tiegels zusammentreffen und vorzugsweise einen Winkel von etwa 90° miteinander bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Herstellen eines stabförmigen Einkristalls durch Zonenschmelzen unter Verwendung eines Keimkristalls, der in der gewünschten Orientierung neben dem in einen Einkristall umzuwandelnden Material angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Keimkristall in den Tiegel eingebracht wird, der zwei aneinandergrenzende ebene Seiten hat, die den gleichen Winkel wie die in Längsrichtung verlaufenden Innenwände des Tiegels einschließen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Seiten so am Keimkristall angebracht werden, daß die Grenzlinie parallel zur gewünschten Orientierung verläuft, in der der Einkristall anwachsen soll.

4. Verfahren naeh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tiegel verwendet wird, dessen sich parallel zur Längsrichtung erstrekkende Innenwände den gleichen Winkel wie die beiden natürlichen Kristallebenen des Keimkristalls einschließen.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein stabförmiger Einkristall in einem ersten Tiegel hergestellt wird und daß ein Teil dieses Einkristalls, insbesondere als Keimkristall, in einen weiteren Tiegel eingebracht wird, dessen Seitenwände den gleichen Winkel wie der erste Tiegel einschließen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift B 24 701 VIIIe/21g (bekanntgemacht am 13. Oktober 1955);

deutsche Patentanmeldung H32Q6VI/48b (bekanntgemaeht am 24. Dezember 1952).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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