DE1226984B

DE1226984B - Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleiterstaeben

Info

Publication number: DE1226984B
Application number: DES62993A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Wolfgang Keller; Dr-Ing Reimer Emeis
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1959-05-14
Filing date: 1959-05-14
Publication date: 1966-10-20
Also published as: CH388636A; CH378546A; GB876467A; US3053918A; DE1408558A1; DE1408558B2; GB869461A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

BOId

Deutsche Kl.: 12 c - 2

Nummer: 1226 984

Aktenzeichen: S 62993 IV c/12 c

Anmeldetag: 14. Mai 1959

Auslegetag: 20. Oktober 1966

Bei der Herstellung von hochgereinigten einkristallinen Halbleiterstäben durch tiegelfreies Zonenschmelzen kann der Stab mit der Heizvorrichtung in einem Gefäß, beispielsweise unter einer metallenen Glocke, zweckmäßig in senkrechter Lage an beiden Enden gehaltert angeordnet werden. Der Stab kann durch eine ihn ringförmig umgebende und in Richtung seiner Längsachse bewegliche und mit hochfrequentem Wechselstrom gespeiste Heizspule induktiv aufgeheizt und in einer schmalen Zone geschmolzen werden. Die Schmelzzone wird dabei vorteilhaft mehrmals in einer Richtung durch den Stab hindurchbewegt.

Die Heizspule hat im allgemeinen die Form eines Zylinders. Die Windungen der Zylinderspule haben je nach ihrem Durchmesser einen möglichst geringen Abstand voneinander, damit die Höhe der Spule und die Höhe der Schmelzzone möglichst gering wird. Diese Spulenform hat jedoch den Nachteil, daß die Sicht auf die Schmelzzone behindert wird. Für die Steuerung der Heizleistung ist aber eine genaue Beobachtung der Schmelzzonenform notwendig, weil sich ein Überheizen der Schmelze in einer Veränderung der Schmelzzonenform bemerkbar macht. Ferner können beim Zonenschmelzen im Hochvakuum durch den Niederschlag von abgedampftem Halbleitermaterial Windungschlüsse verursacht werden, wenn der geringe Abstand der Windungen durch den Belag überbrückt wird. Im Fall einer Störung erstarrt die Schmelzzone unter Umständen sehr schnell, was durch den Volumensprung des Kristalls beim Erstarren zum Hinauswachsen von Vorsprüngen führt. Diese Vorsprünge können bei dem geringen Abstand der Spule von der Schmelze zwischen die Windungen der Spule wachsen. Der dadurch hervorgerufene Kurzschluß verhindert ein Wiederaufheizen der Schmelzzone, und die Spule muß mechanisch von dem Stab getrennt werden, was sehr umständlich ist und leicht zur Beschädigung der Spule und darüber hinaus zur Verunreinigung des Halbleitermaterials führen kann.

Es ist bereits eine Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen bekannt, bei der ein in seiner Achsrichtung beweglicher Halbleiterstab in einer engen Quarzröhre angeordnet ist. Eine wegen des verhältnismäßig großen Abstandes zum Halbleiterstab als Flachspule ausgeführte Heizeinrichtung umschließt sowohl den Stab als auch die Röhre. Mit dieser Anordnung ist kein tiegelfreies Zonenschmelzen im Hochvakuum, sondern nur unter Schutzgas möglich; denn bei der geringen Weite des Quarzzylinders würde der Belag von aus der Schmelzzone ab-

Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen
von Halbleiterstäben

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Beanspruchte Priorität:

Dr. rer. nat. Wolfgang Keller, Pretzfeld;

Dr.-Ing. Reimer Emeis, Ebermannstadt

gedämpftem Material schon während eines einzigen Zonendurchganges so dicht werden, daß er die Sicht auf die Schmelzzone verhindern würde. Dies ist ins-

ao besondere der Fall, wenn keine Bewegung der Heizspule, sondern eine Bewegung der Stabenden vorgesehen ist und somit die Schmelzzone immer an derselben Stelle des Quarzzylinders verbleibt. Darüber hinaus hat diese Anordnung den Nachteil, daß

as wegen des verhältnismäßig großen Abstandes zwischen der Heizspule und dem Halbleiterstab ein entsprechend großer Heizstrom erforderlich ist und daß sich andererseits aus demselben Grund eine im Vergleich zur Spulenhöhe verhältnismäßig große Länge der Schmelzzone ergibt.

Es ist ferner eine Einrichtung mit einem innerhalb eines Gefäßes angeordneten Konzentrator bekannt, der mit einer außerhalb des Gefäßes angeordneten zylinderförmigen, elektrischen Heizspule induktiv gekoppelt ist. Derartige Einrichtungen verhindern jedoch eine freie Sicht auf die Schmelzzone und haben außerdem den Nachteil eines schlechten Wirkungsgrades. Eine Änderung der Induktivität der Heizspule macht sich in der Schmelzzone kaum noch bemerkbar. Deshalb ist beispielsweise eine Regelung der Heizung mittels eines abgestimmten Sekundärkreises mit einer derartigen Einrichtung nicht möglich. Den gleichen Nachteil weist eine bekannte Anordnung mit einem den Stab unmittelbar umgebenden Graphitring auf, der ebenfalls induktiv beheizt wird und die Wärme durch Strahlung auf den Stab überträgt.

Man hat auch bereits um den Halbleiterstab einen Glühring angeordnet, dessen Wärmestrahlung durch Reflexion an einem den Ring umgebenden Hohlspiegel auf einer Ringzone des Halbleiterstabes konzentriert wird. Der Hohlspiegel verhindert jedoch

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eine freie Sicht auf die Schmelzzone und verliert beim Arbeiten im Hochvakuum durch den entstehenden -Niederschlag von abgedampftem Material sehr bald sein Reflexionsvermögen und muß infolgedessen verhältnismäßig oft ausgewechselt werden, weil sonst die Gefahr besteht, daß vom Belag Teile abblättern und in die Schmelze geraten können.

Diese Nachteile können einer Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleiterstäben mit einer den Stab ringförmig umgebenden, in Richtung seiner Längsachse beweglichen und mit hochfrequentem Wechselstrom gespeisten Heizspule, wobei der Stab und die Heizspule in einer Vakuumkammer angeordnet sind, erfindungsgemäß dadurch vermieden werden, daß die Heizspule als Flachspule ausgebildet ist. Die Ausbildung der Spule in der Form einer mehrere Windungen aufweisenden Spirale, deren Innendurchmesser nicht wesentlich größer ist als der Außendurchmesser des Stabes, hat den Vorteil, daß ihr magnetisches Wechselfeld scharf begrenzt ist und der Spulenform entsprechend flach verläuft. Dadurch kann die Höhe der Schmelzzone entsprechend gering gehalten werden, und es ergeben sich außerdem nahezu ebene Grenzflächen fest-flüssig.

Die Gefahr der Verunreinigung des Halbleiterstabes durch von dem Belag der Spule abblätternde Teilchen wird vermindert; denn als der Schmelzzone zugewandte Fläche der Spule kommt praktisch nur noch die Innenseite der inneren Windung in Betracht, und diese Fläche ist deshalb im Vergleich zur Zylinderspule gering. Ferner wird die Reinigung der Spule erleichtert, weil die Windungen von beiden Seiten leicht zugänglich sind.

Durch das scharf begrenzte magnetische Feld in der Schmelzzone reagiert die Flachspule wesentlich günstiger auf Querschnittsänderungen der Schmelzzone im Vergleich zur Zylinderspule bei einer auf konstanten Strom regelnden Automatik, bei welcher als Regelgröße der elektrische Widerstand der Schmelzzone dient, der durch Strecken bzw. Stauchen mittels gegenseitiger axialer Verschiebung der Stabhalterungen verändert wird.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung soll auf die Zeichnung Bezug genommen werden.

F i g. 1 zeigt einen Teil einer Zonenschmelzvorrichtung; in

Fi g. 2 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung dargestellt.

In Fig. 1 erkennt man eine Heizspule!, die beispielsweise aus einem Silberrohr oder aus einem stark versilberten Kupferrohr bestehen kann und in Form einer Spirale gewickelt ist. In der Darstellung sind drei Windungen gewählt. Es können jedoch unter Umständen bereits zwei Windungen genügen oder auch mehr als drei Windungen gewählt werden. Die Zuleitung 5 ist in einem quaderförmigen Kopfstück festgelötet, das mit zwei Schrauben 7 an einem

ίο Abschlußstück 8 einer Stromzuführung festgeschraubt und mit einer Dichtung 9, beispielsweise aus Kunststoff, abgedichtet ist. Die Stromzuführung besteht aus einer flachen Schiene 10, die mit der Spulentransportvorrichtung 12 verbunden ist und auf der ein Rohr 11 für die Zuführung des Kühlwassers festgelötet ist. Die Stromzuführung ist gebogen. Vor der Spulentransportvorrichtung ist ein Schirm 13, beispielsweise aus einem wärmebeständigen Metall zum Schutz der Spulentransportvorrichtung gegen die Wärmestrahlung der Schmelze angeordnet. Die Stromzuführung besteht vorteilhaft aus Kupfer.

Die F i g. 2 zeigt einen Schnitt (ΙΙ-Π) in Richtung der Stabachse durch die Heizspule und einen Teil der Stromzuführung. Aus dieser Figur ist die Schmelzzone 4 sowie die Zu- und Abführung des Kühlwassers zu ersehen. Jede der beiden Zuleitungen 5 ist in dem Kopfstück 6 so festgelötet, daß das Leitungsende auf einer Seite etwas aus dem Kopfstück 6 herausragt. Dieses Rohrende ist in eine entsprechende Bohrung des Abschlußstückes 8 der Stromzuführung eingesetzt. Auf der gegenüberliegenden Seite des Abschlußstückes ist das Zuleitungsrohr 11 für das Kühlwasser in einer entsprechenden Bohrung festgelötet.

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleiterstäben mit einer den Stab ringförmig umgebenden, in Richtung seiner Längsachse beweglichen und mit hochfrequentem Wechselstrom gespeisten Heizspule, wobei der Stab und die Heizspule in einer Vakuumkammer angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizspule als Flachspule ausgebildet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 025 631;
USA.- Patentschriften Nr. 2 792 317, 2 809 905.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 707/265 10.66 © Bundesdruckerei Berlin