DE1260439B

DE1260439B - Device for crucible-free zone melting

Info

Publication number: DE1260439B
Application number: DES89439A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr-Ing Reimer Emeis
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1964-02-08
Filing date: 1964-02-08
Publication date: 1968-02-08
Also published as: BE659252A; GB1022427A; CH414553A; SE302116B; US3342970A; FR1445481A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:Number:
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Deutsche Kl.: 12 c - 2German class: 12 c - 2

1260439
S89439IVc/12c
8. Februar 1964
8. Februar 19681260439
S89439IVc / 12c
February 8, 1964
February 8, 1968

Vorrichtungen zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines stabförmigen Körpers aus kristallinem Material sind bereits in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Gewöhnlich befindet sich in einem evakuierten oder mit Schutzgas gefüllten Gefäß der zu behandelnde stabförmige Körper, z. B. aus Halbleitermaterial, wie Germanium oder Silicium, oder aus einem Metall, wie Wolfram oder Molybdän, der an seinen beiden Enden in Halterungen lotrecht eingespannt ist. Eine Heizeinrichtung beheizt den stabförmigen Körper auf einem kurzen Stück seiner Länge und erzeugt so eine Schmelzzone. Diese Schmelzzone wird durch relative Bewegung der Heizeinrichtung zur Längsachse des stabförmigen Körpers über die Länge des Stabes geführt.Devices for crucible-free zone melting of a rod-shaped body made of crystalline material are already known in various embodiments. Usually located in an evacuated or the bar-shaped body to be treated, e.g. B. made of semiconductor material, such as germanium or silicon, or from a metal such as tungsten or molybdenum, the is clamped vertically at both ends in brackets. A heating device heats the rod-shaped Body on a short piece of its length, creating a melting zone. These The melting zone is created by moving the heating device relative to the longitudinal axis of the rod-shaped body guided over the length of the rod.

Bei verschiedenen bekannten Vorrichtungen dient eine Induktionsheizspule, welche den stabförmigen Körper mit Abstand umgibt, als Heizeinrichtung zur Erzeugung der Schmelzzone. Sie kann z. B. im Falle von Silicium mit einer Frequenz von 1 bis 5 MHz gespeist werden. Sie kann durch induktive Erwärmung den Halbleiterkörper zum Schmelzen bringen. Die Heizspule muß den Halbleiterstab für gewöhnlich verhältnismäßig eng umschließen, damit eine gute Ankopplung gewährleistet ist.In various known devices, an induction heating coil is used, which the rod-shaped Surrounds the body at a distance, as a heating device for generating the melting zone. You can z. B. in the case fed by silicon at a frequency of 1 to 5 MHz. You can use induction heating bring the semiconductor body to melt. The heating coil usually has to hold the semiconductor rod Enclose relatively tightly so that a good coupling is guaranteed.

Statt dessen kann, wie bereits vorgeschlagen wurde, zusätzlich zur Induktionsspule auch ein Feldkonzentrator im Feld der Induktionsspule angeordnet sein, der eine Öffnung zur Aufnahme eines stabförmigen Körpers besitzt. Für verschiedene Stabquerschnitte sind dann aber verschiedene Konzentratoren nötig oder die Ankopplung verschlechtert sich.Instead, as has already been proposed, a field concentrator can also be used in addition to the induction coil be arranged in the field of the induction coil, which has an opening for receiving a rod-shaped Body owns. Different concentrators are then required for different rod cross-sections or the coupling deteriorates.

Mit einer Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines stabförmigen Körpers aus kristallinem Material, insbesondere Halbleitermaterial, mit zwei an den Enden des Körpers angreifenden Halterungen, einer den Körper mit Abstand umfassenden Induktionsspule, die relativ zur Längsachse des Körpers bewegt werden kann und einem Feldkonzentrator, der im Feld der Induktionsspule angeordnet ist und eine Öffnung zur Aufnahme des stabförmigen Körpers besitzt, können aber solche Ankopplungsschwierigkeiten beseitigt werden und stabförmige Körper verschiedenen oder schwankenden Querschnitts ohne Auswechselung des Konzentrators behandelt werden, wenn erfindungsgemäß der Konzentrator aus zwei oder mehr die Öffnung umschließenden Teilstücken besteht und die Öffnung des Konzentrators durch seitliche Verschiebung der Teilstücke dem jeweiligen Querschnitt des stabförmigen Körpers angepaßt werden kann.With a device for crucible-free zone melting of a rod-shaped body made of crystalline Material, in particular semiconductor material, with two holders engaging at the ends of the body, an induction coil which surrounds the body at a distance and which is relative to the longitudinal axis of the Body can be moved and a field concentrator, which is arranged in the field of the induction coil and has an opening for receiving the rod-shaped body, but such coupling difficulties can be eliminated and rod-shaped bodies of different or fluctuating cross-sections can be treated without changing the concentrator if the concentrator according to the invention consists of two or more sections surrounding the opening and the opening of the concentrator adapted to the respective cross-section of the rod-shaped body by lateral displacement of the sections can be.

An Hand von Ausführungsbeispielen, aus denenUsing exemplary embodiments from which

Vorrichtung zum tiegelfreien ZonenschmelzenDevice for crucible-free zone melting

Anmelder:Applicant:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Siemens Aktiengesellschaft, Berlin and Munich, 8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Dipl.-Phys. Dr.-Ing. Reimer Emeis,Dipl.-Phys. Dr.-Ing. Reimer Emeis,

8553 Ebermannstadt8553 Ebermannstadt

weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung hervorgehen, sollen diese näher erläutert werden.Further details and advantages of the invention emerge, these will be explained in more detail.

F i g. 1 stellt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in der Seitenansicht dar;F i g. 1 shows a device according to the invention in side view;

F i g. 2 zeigt dieselbe Vorrichtung in der Aufsicht, teilweise im Schnitt;F i g. Fig. 2 shows the same device in plan, partly in section;

F i g. 3 und 4 stellen eine weitere Ausführungsform eines Konzentrators gemäß der Erfindung in der Aufsicht und in der Seitenansicht dar.F i g. 3 and 4 show a further embodiment of a concentrator according to the invention in plan view and in the side view.

In Fig. 1 ist in einem stabförmigen Körper 2, welcher z. B. einen kreisrunden Querschnitt haben kann, mit Hilfe einer Induktionsheizspule 3, die als spiralig gewickelte Flachspule ausgebildet sein kann, eine Schmelzzone 4 erzeugt. Mit Hilfe eines Konzentrators, der aus den Teilen 5 a, 5 b, Sc und Sd (F i g. 2) besteht, wird das Feld der Heizspule 3 konzentriert. Die Teile bestehen aus elektrisch leitfähigem Material, welche sich im Feld der Induktionsspule befinden. Infolge der Teilung des Konzentrators entstehen nur jeweils solche Wirbelströme in den einzelnen Teilen, daß das Feld im Endeffekt auf die innerhalb des Konzentrators liegende Fläche konzentriert wird. Ein geschlossener Ring stellt dagegen keinen Konzentrator dar, denn in diesem Falle entsteht ein Gegenfeld zur Heizspule, und die Heizwirkung ist völlig beseitigt.In Fig. 1 is in a rod-shaped body 2, which z. B. can have a circular cross-section, with the aid of an induction heating coil 3, which can be designed as a spirally wound flat coil, a melting zone 4 is generated. With the help of a concentrator, which consists of parts 5 a, 5 b, Sc and Sd (FIG. 2), the field of the heating coil 3 is concentrated. The parts are made of electrically conductive material, which is located in the field of the induction coil. As a result of the division of the concentrator, only such eddy currents arise in the individual parts that the field is ultimately concentrated on the surface lying within the concentrator. A closed ring, on the other hand, does not represent a concentrator, because in this case there is an opposing field to the heating coil and the heating effect is completely eliminated.

Im vorliegenden Falle der Verwendung eines Konzentrators beim tiegelfreien Zonenschmelzen kann der Konzentrator vorzugsweise aus Silber oder einem mit einem Silberüberzug versehenen Kupferteil bestehen, das vorzugsweise an einen Kühlkreislauf angeschlossen ist, z. B. eine Wasserkühlung.In the present case the use of a concentrator for crucible-free zone melting can the concentrator is preferably made of silver or a copper part provided with a silver coating, which is preferably connected to a cooling circuit, e.g. B. water cooling.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 094 710 ist ein Verfahren bekanntgeworden, gemäß welchem Einkristalle mit Hilfe von Keimkristallen erzeugt werden, die einen wesentlich geringeren Durchmesser als der behandelte Halbleiterstab aufweisen. In F i g. 1 ist ein derartiger Keimkristall 6 dargestellt. Mit der er-From the German Auslegeschrift 1 094 710 a method has become known according to which single crystals can be generated with the help of seed crystals, which have a much smaller diameter than the have treated semiconductor rods. In Fig. 1 shows such a seed crystal 6. With the

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findungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich bei der Behandlung eines derartigen Halbleiterstabes keinerlei Schwierigkeiten, da durch Anpassung des Konzentrators eine derartige Konzentration des elektromagnetischen Feldes erzielt werden kann, daß die Ankopplung der Heizspule 3 an allen Stellen gleich gut ist. So kann z. B. der dünne Keimkristall einen Durchmesser von etwa 3 bis 5 mm aufweisen, während der Halbleiterstab 2 einen Durchmesser von 12 bis 40 mm haben kann. In Fi g. 2 ist durch Pfeile die Richtung der Bewegung der Teile des Konzentrators 5 angegeben, mit deren Hilfe die Anpassung des Konzentrators an den unterschiedlichen Querschnitt des zu behandelnden stabförmigen Körpers erreicht wird. Die erfindungsgemäß aufgebaute Vorrichtung kann auch insbesondere in den Fällen angewendet werden, in denen eine gewollte Querschnittsveränderung, z. B. eine Vergrößerung oder Verkleinerung, mit Hilfe des tiegelfreien Zonenschmelzens bewirkt werden soll.The device according to the invention does not result in any treatment of such a semiconductor rod Difficulties, as by adapting the concentrator such a concentration of the electromagnetic Field can be achieved that the coupling of the heating coil 3 is the same at all points good is. So z. B. the thin seed crystal have a diameter of about 3 to 5 mm, while the semiconductor rod 2 can have a diameter of 12 to 40 mm. In Fi g. 2 is by arrows indicated the direction of movement of the parts of the concentrator 5, with the help of which the adjustment of the concentrator to the different cross-section of the rod-shaped body to be treated is achieved. The device constructed according to the invention can also be used in particular in the cases are in which a desired cross-sectional change, z. B. an enlargement or Reduction is to be effected with the aid of crucible-free zone melting.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Konzentrator dargestellt, der ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt hat und der vierfach geteilt ist. Selbstverständlich kann der Konzentrator auch zwei-, drei- oder mehrfach geteilt sein. Auch die Form des Konzentrators kann an die Querschnittsform des behandelten Stabes, z. B. ein Quadrat oder ein Sechseck, angepaßt sein.In Figs. 1 and 2, a concentrator is shown, which also has a circular cross-section and which is divided into four. Of course the concentrator can also be divided into two, three or more parts. Also the shape of the concentrator can be adapted to the cross-sectional shape of the rod being treated, e.g. B. a square or a hexagon, adapted.

In den F i g. 3 und 4 ist eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäß zu verwendenden Konzentrators dargestellt, der aus den Teilen 11 und 12 besteht, die ebenfalls in Richtung der Pfeile bewegbar sind.In the F i g. 3 and 4 is another embodiment of a concentrator to be used in accordance with the invention shown, which consists of parts 11 and 12, which are also movable in the direction of the arrows are.

Gegebenenfalls kann der Konzentrator völlig innerhalb der Windungen der Heizspule liegen und lediglich von außerhalb der Heizspule bewegbar sein. Es besteht auch die Möglichkeit, oberhalb und/oder unterhalb der Heizspule je einen Konzentrator vorzusehen. If necessary, the concentrator can lie completely within the turns of the heating coil and only be movable from outside the heating coil. There is also the option of above and / or Provide a concentrator below the heating coil.

Zweckmäßig sind alle Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung von einem verhältnismäßig großen Gefaß umschlossen, das zur Aufrechterhaltung des notwendigen Vakuums bzw. der Schutzgasatmosphäre dient. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Konzentrator in einem verhältnismäßig engen Gefäß, z. B. einem Quarzrohr, anzuordnen, während die Heizspule außerhalb des Gefäßes, z. B. außerhalb des Quarzrohres, angeordnet ist.All parts of the device according to the invention are expediently from a relatively large vessel enclosed, that to maintain the necessary vacuum or the protective gas atmosphere serves. But there is also the possibility of using the concentrator in a relatively narrow vessel, z. B. a quartz tube, while the heating coil outside of the vessel, for. B. outside of the quartz tube, is arranged.

Die Relativbewegung zwischen Heizspule und behandeltem Stab kann durch Bewegung der Heizspule bei fest in das Gefäß eingespanntem Stab oder umgekehrt bewirkt werden. Im vorliegenden Fall erscheint die letztere Form, also die Bewegung der Stabhalterungen und die feste Montage der Heizspule und des verstellbaren Konzentrators, zweckmäßiger.The relative movement between the heating coil and the treated rod can be achieved by moving the heating coil with the rod firmly clamped in the vessel or vice versa. In the present case appears the latter form, i.e. the movement of the rod holders and the fixed mounting of the heating coil and the adjustable concentrator, more convenient.

Claims

Patent claims:

1. Device for the crucible-free zone melting of a rod-shaped body made of crystalline material, in particular semiconductor material, with two brackets attacking the ends of the body, an induction coil which surrounds the body at a distance and which can be moved relative to the longitudinal axis of the body and a field concentrator that operates in the field the induction coil is arranged and has an opening for receiving the rod-shaped body, characterized in that the concentrator consists of two or more sections surrounding the opening (5 a to Sd, 11, 12) and that the opening of the concentrator is made by lateral displacement of the sections (5 a to Sd, U, 12) can be adapted to the respective cross section of the rod-shaped body (2).

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the concentrator is below the induction coil (3) is attached.

Considered publications:
British Patent No. 829,422.

1 sheet of drawings