DE1519871A1

DE1519871A1 - Verfahren zum Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes und Vorrichtung zur Durchfuehrung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE1519871A1
Application number: DE19651519871
Authority: DE
Inventors: Georg Eder; Emeis Dipl-Phys Dr Reimer; Keller Dr Wolfgang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-05-27
Filing date: 1965-05-27
Publication date: 1970-02-26
Also published as: GB1151054A; BE680555A; DE1519871B2; US3592611A

Description

Verfahren zum Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes und Vorrichtung aur Durchführung dieses

Der'Grundkörper von Halbieiteranordnungen, wie Gleichrichter, Transistoren, Thyristoren j Photodioden u.dgl., besteht meist aus Germanium, S'iliiiua oder" einer intermetallischen * Verbindung von /Elementen der JH. und V-. Gruppe des periodischen Systems. Zur Herstellung dieser Grundkörper benötigt man große Mongen diener Halbleitermaterialien von extrem hohem fieinheite- gvixa und ij» wesentlichen einkristalliner Struktur.

Um diese Forderung weitgehend zu erfüllen, sind bereite veP-. üchieriene (lewirmungs- und Bearbeitungeverfahren' entwickelt

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N Unterlagen ιαλ./ii>«^:<^.u#_>ijtä₍iMAnd^une«e««-v<.4.g.ii»i!i wi/Vo

worden. So ist es bereits bekannt, einen beispielsweise durch' Ziehen aus der Schmelze oder durch Ablagerung von Halbleiter- ' _; material auf einer einkristallinen Halbleiterseele gewonnen Halbleiterstab durch sogenanntes tiegelfreies Zonenschmelzen in gewünschtem und benötigtem Maße zu reinigen. Bei diesem Verfahren läßt man den Stab beispielsweise vermittels einer mit hochfrequentem Wechselstrom gespeisten Induktionsspule an einer Stelle schmelzen und aieht dann diese Schmelzzone mehrfach über die gesamte Stablänge. Die Verunreinigungen reichern sich in der Schmelze an und werden im rekristallisierten Material vermindert. 7/ird die Schmelzzone immer in derselben Richtung durch den Stab gezogen, so erreicht man, daß die Verunreinigungen in dieser .dichtung zum Stabende transportiert und dort angereichert werden. Im Verlaufe dieses Zonensc.:.me Iz ve rf ahrens soll die im wesentlichen einkristalline Struktur des Halbleiters-tabes gewahrt und sogar noch verbessert werden.

iS sind Vorrichtungen zum tiegelfreien Zonenschmelzen bekanntgeworden, in denen der senkrecht stehende, von einer InductionsSjule umschlossene Kalbleiterstab an einem linde in einer .ialterung ocfestigt ist, während er am anderen .rinde mit Hilfe der Induktionsspule mit einem zunächst freistehenden staofcrmigen einkristallinen Keimkristall verschmolzen wird. Mach dem Juruhachme: :;eu der Jerührungszone zwischen Halbleiterstab und f.eir.krintail wetraen aer Halb·

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leiterstab oder/und der Keimkristall in Umdrehung um Ihre Längsachsen versetzt. Sodann wird die .Schmelzcone in.vertikaler iacntung durch den Halbleiterstab gezogen.

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£s wurde "erkannt, daä am. .übergang der Schmelz^zone im Halbleiterstab ■zwischen festen und flüssigen Material verschiedene Wach st ums ge- ., schwindigkeiten des kristallisierenden Materials über den ganzen Querschnittfder Schmelzzone gesehen auftreten, wenn die Schmelzzone im Verlaufe des Zonenschmelzprozesses nicht weitestgehend erschütterungsfrei im Baume steht. Verschiedene Wachstumsgeschwindigkeiten des aus der Schmelze rekristallisierenden Materials können jedoch die Ausbildung von Kristallstörungen, insbesondere von Kristallzwillingen verursachen. -Biese Kristallstörungen können sich nachteilig auf die Sperr- und. ^urchlaßeigenschaften von pn-übergängeη in λ Halbleiterelementen auswirken, die aus dem Halblei'terstab hergestellt eind.

Die Erfindung betrifft demgemäß ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes, .insbesondere aus Halbleitermaterial, und ist dadurch gekennzeichnet, da^ mechanische oder/unu elektromagnetische Einflüsse, die flir d'on Kristallaufbau deü aus der Schmelzzöne rekristallisierenden iwaterials schädliche Schwingungen der Flüssigkeit in der Schmelzzone verursachen, von der Schmelzzone ferngehalten-werden.

Me Erfindung sei an einem Äusführungabeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt die Seitenansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäEen Verfahrens}

;^ig* 2 seigt die Vorderansicht dieser Vorrichtung;

i'ig._<:3 zeigt einen Horizontalsehnitt durch einen Teil der Vorrichtung nach Fig· T und Fig. 2 und

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Fig. 4.einen Variikaischnitt durch diesen Teil.

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Die in den Figuren 1; und 2 dargestellte Vorrichtung besteht aus einem Ständer 2, aus einem Material mit großem spezifischen Gewicht, z.B. Stahl. Die Höhe dieses Ständers 2 beträgt beispielsweise 4 m. Er ist auf einem auf dem Boden der Werkhalle angebrachten Hauptfundament 3 aus Beton angeordnet. Am Ständer 2 sind zwei vertikale Schienen 6 aus gehärtetem Stahl angeordnet, an denen zwei Schlitten 7'und 8 in vertikaler. Richtung beweglich angebracht sind, i'igur 3 zeigt im wesentlichen einen Horizontal-., schnitt durch den Schlitten 7» Figur 4 einen Vertikalschnitt durch diesen Schlitten. Der Schlitten 8 ist in der gleichen Weise aufgebaut wie der Schlitten 7.

' Ein evakuierter oder mit Schutzgas gefüllter Rezipient ₍41 ist an den Halteteilan9 und 10 befestigt, die sich an der Vorderseite des Ständers 2 befinden. Die Schlitten 7 und 8 sind mit vertikalen Wellen 13 und H versehen, die auch in den Halteteilen 9 und 10 gelagert sind und die, in gasdichten Dichtungen gelagert, in den Rezipienten 4-1 reichen, der mit einem Sunauglas versehen sein kann« An den Enden/der Wellen 13 und 14 im Rezipienten 41 sind Halte- · rungen 26 und 27 für einen kristallinen Stab 28 angeordnet, der aus Halbleitermaterial wie z.B. Silizium bestehen kann und der einem tiegelfreien Zonenschmelzprozeß unterworfen werden soll.. Außerdem ist im Kezipienten 41 eine feststehende den kristallinen Stab 28 umschließende und mit hochfrequentem Wechselstrom gespeiste Schmelzspule 23 eingebaut.

Die Wellen 13 und 14 sind durch an den Schlitten 7 und 8 befiöd-

, liehe Motoren 13a und Ha antreibbar. Die Schlitten 7 und 8 sind '

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mit Hilfe der Spindeln 16 und 17 Ln "/ertlkaler Richtung bewegbar. Die Spindeln 16 und 17 sind über Getriebe 19 und Kardanwellen von nit Untersetzungsgetrieben 22a'versehenen Antriebsnotoren in Umdrehung versetzbar, .

Vor Beginn des Sonenschmelaprosesses wird ein 2.3. in der Halterung

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27 befestigter einkristalliner Impfling mit dem zunächst nur in · der Halterung 26 befestigten kristallinen Stab 28 mit Hilfe der Schmelzsnule. 23·verschmolzen. Im I.iorient desDurch Bchinolzens werden die i/eilen 13 und 14 in Umdrehung versetzt. Sodann werden die Schlitten 7 und 8 von oben nach unten bewegt, so dai3_die Schmelzzöne im kristallinen Stab 28 von unten nach, oben gesogen wird.

Damit die Bchmelsflüssigkeit in der Sehiielzzone des Stabes 28* frei von Schwingungen ist, hat es sich als vorteilhaft er-.wiesen,-'die Wellen 13 und 14 über spielarme Schneckengetriebe anzutreiben, dio an den Schlitten 7 und 8 angebracht sind und die zwischen die Wellen 13 bzw. 14 und die llotoren 13a bzw. 14a geechaltet 'sind. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von spielfreien Schneckengetrieben, wie sie inbesondere unter der Bezeichnung "Cavex-Schneckengetriebe" im Handel erhältlich, sind, und bei denen die Schnecke mit einem konkaven Plankenp.rcfil vercehan ist. .

./ie Spindeln 16 und 17, mit üeren Hilfe die Schlitten 7 und 8 f-a.vegt werden, sind vorteilhaft spielfreie Kugelrollspindeln, d.h. Spindeln, deren Gewinde oder einzelne Gewlndegänga von

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Kugeln durchlaufen sind, die 'am finde ihres Umlaufes durch ein Umlenkstück wieder in die ursprüngliche Bahn zurückgeführt werden.. Jieses Ui^Ie nks tue χ ist in, die am Schlitten 7 bzw» 8 befestigte Spindeimutter 16a bzw. 17a eingepaßt. Id e Kugelrolispindeln sind vorteilhaft in schwingungsfreien Lagern 16b und 17b, vorzugsweise Gleitlagern, gelagert. Jer Vorteil der Kugelroilspindeln ist in ihrer hohen Spielfreiheit und ihrer leichtgängigkeit begründet, durch die eine ruckfreie Bewegung der Schlitten 7 und 8 gewährleistet und daher eine Ausbildung von Schwingungen in der Schmelzzone des kristallinen Stabes 28 verhindert wird. Als besonders vorteilhaft haoen sich im Handel unter der Bezeichnung "Rotax-Kugelroilspindeln" befindliche Kugelrollspindeln erwiesen.

Damit sich die Schlitten 7 und 8 mögiicnst schwingungsfrei oewegen, ist es vorteilhaft, als Schlittenführungen besonders spielfreie und leichtgängige !,litteI zu verwenden. Hierzu besonders geeignet sind vorgespannte Kuge!führungen 18, die sich durch hohe Spielfreiheit und Leichtgängigkeit auszeichnen und daher die Ausbildung von Schwingungen in der Schmelzzone des kristallinen Stabes 28 verhindern. Wie in den Figuren 3 und 4 erkennbar ist, bestehen diese vorgespannten Kugelführungen 18 je aus zwei mit einer Schiene ausgebildeten, vorgespanntem Kugelführungskanälen 18a, die oben und unten über halbkreisförmige Kugelführungskanäle in nicht vorgespannte Kugelrückführungskanäle 18b münden. In diesen Kanalor befinden sich Kugein, die beim 3ewegen der Schlitten auf einer geschlossenen Bahn umlaufen.

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■ Zur^P?ernhaltung von Einflüssen von der Sßhmelzzone im Stab, die Schwingungen der Schmelzflüssigkeit hervorrufen, ist es weiterhin vorteilhaft, die Welle 13 und entsprechend auch die Welle 14 in Gleitlagern 11 und 12 zu lagern, die im Schlitten 7 und entsprechend auch in Schlitten 8 angebracht sind. Es ist auch vorteilhaft, in den Halteteilen 9 und 10 Gleitlager für die Wellen 12 und 14 vorzusehen. Die an den Schlitten 7 und 8 angebrachten Motoren 15a und 14a sind vorteilhaft speziell ausgewuchtete Elektromotoren, deren Wellen in Gleitlagern gelagert sind.

Zur Vermeidung einer Übertragung von Schwingungen auf die Wellen 13 und 14 und damit auf die Sclimelzzone im Stab 28 werden die Kugelrollspindeln 16 und 17 jeweils durch ein im unteren Teil des" Ständers 2 befindliches spielfreies Schneckengetriebe 19 angetrieben* Auch hierfür kann man z.B. unter der Bezeichnung "Cavex-SchnecJtengetriebe" im Handel befindliche Schneckengetriebe verwenden» iiie Brehaomentübertragung auf die Schneckengetriebe 19 erfolgt vorteilhaft über KaiuanwaCen 20, deren Gelenke 21 elastische Kunststoffscheiben als Mitnehmer aufweisen, so daß keine Stöße unα Schwingungen von'den Antriebsmotoren 22 #uf die Zonenschmelzvorrichtung übertragen werden können. Die Antriebsmotoren 22, deren Drehzahl gesteuert werden muß, und von denen daher Schwingungen ausgehen können, sind vorteilhaft zusammen mit spielfreien Uatersetzungsgetrieben 22a getrennt von Hauptfundament 3 auf einem Hilfsfundament 29 in der lua sohl η en hai Ie aufgebaut, um die Übertragung dieser Schwingungen auf das Hauptfundament 3 und damit auf die Zonenseiirieizvorrichtung zu verhindern. Ebenfalls getrennt

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vom Hauptfundament 3 iit auf einem in den Figuren nicht dargestellten ililfafundament due Schalt- und Bedienungspult für die Vorrichtung angeordnet, so daß eine Anregung von Schwingungen in der Zonenschmelzvorriehtung während des Ziehprozesses infolge von Beüienungahandgriffen oder durch Steuerelemente mit beweglichen Teilen ausgeschlossen ist. IJaa Hauptfundament 3 kann für den fall, daß die Vorrichtung gegen von außen kommende Schwingungen abgeschirmt werden muß, vorteilhaft aus einem an gedämpfte η Federn aufgehängten Betonklotz beoifkhen. «

Die im Rezipienttn 41 feststehend angeordnete Heizspule 23 kann z.B. mit hochfrequentem Wechselstrom einer Frequenz im Bereich zwischen 1 und 5 HtgahtTZ aus einem Kf-Generator gespeist werden. Der Gefahr, daß Schwingungen in der Schjcelzzone des kristallinen Stabes 28 durch mit niederfrequenten Wechselstrom modulierten HP-Heizstrom angefacht werden, kann man unter anderem durch Verwendung eines MF-HtiMtrom··, dessen helligkeit wesentlich unter 1Jt liegt, vor- btugtn« Das läßt iioh, fallt der sur Sptlttuig det HF~4«t trat ore erforderliche Gleichstroai d.urch GleichrichteE von ttfncfceelttroa gewomiäfi wird, durch besondere Sorgfalt bei der Slättung dieses Gleichstromes erreichen·

£ε ist auch von Vorteil, wenn sich im Ständer 2 ein Hohlraum 4 bt· findet, der mit körnigen» Material hohen spezifischen Gewiohta_t «·!· trookeneifi Sand, gefüllt ist, so daß die Entstehung von Sohwingun-' Sendee Ständers 2 verhindert, bzw. Schwingungen des Ständers 2 geuäftpft werden.

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Zur .Dämpfung evontuf 11 in den Schlitten 7 und 8 sowie im Ständer 2 noch auftretender niederfrequenter Schwingungen ist es vorteilhaft, zusätzliche* schwingungafähige Hilfsmassensysteme 24 und 25 an den Schlitten 7 und 8 sowie inbeaondere am oberen Teil des Ständers 2 vorzusehen.

Jjie beschriebenen und die d«rge st eilt en Merkmale, Arbeitsvorgänge und Anweisungen etellea, soweit nicht vorbekannt, . im einzelnen, ebenso wie ihre Kombinationen untereinander, wertvolle erfinderische Verbesaerungen dar,

4 i'iguren
iateritanoprüche

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Claims

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Patentansprüche:

1. Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Staoes, insbesondere aus Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß mechanische oder/und elektromagnetische Einflüsse, die für den Kristallaufbau des aus der Schmelzzone rekristalli-

sierenden Materials schädliche Schwingungen der Flüssigkeit in der Schmelzzone verursachen, von der Schmelzzone ferngehalten 'werden, ι

2. Vorrichtung'zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit den kristallinen Stab tragenden Wellen, die in bewegbaren Schlitten gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß sun Antrieb der Wellen (13) und (H) spielfreie Schneckengetriebe (15), zum Bewegen der Schlitten (7) und (8) an einem Ständer (2) Kugelrollspindeln (16) und (17) und als Schlittenführungen vorgespannte Kugej.f'iiirungen (18) vorgesehen sind.

3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ψ Wellen- (13) und (H) in schwingungsfreien. Lagern, vorzugsweise Gleitlager,., gelagert sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmotoren (13a) und (13b) für die 'Wellen (13)und (H) mit schwingungsfreien lagern, vorzugsweise Gleitlagern versehen sind.

5· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, ä&ü sum Antrieb der Kugelrollspindeln(16) und (17) spielfreie Schnecken-

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«getriebe (19) vorgesehen sind.

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6. Vorrichtung nach Anspruch .'21 dadurcn gekennzeichnet, daß die Kugelrollsρinaein (16) und (17) in schwingungsfreien Lagern, vorzugsweise Gleitlagern, gelagert sind. *.

7» Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, aaß die Antriebsmötoren (22) für die Kugelrollcpindeln (16) und (17) auf einem KiIfsfundament (.29) getrennt vom den Ständer (2) tragenden^filauptfundament (J) aufgestellt sind.

8. Vorrichtung nach, Anspruch 2 und 7» dadurch gekennzeichnet, daß die AntrieuBfflotoren (22) mit den Kugelrollspindein (16) und (17) durch Kardanwellen (2C) verbunden sind, deren Gelenke (21) als itiitnehmer elastische Kunststoffscheiben

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9« Vorrichtungnach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß von listia- una/oaer elektrisch zu üetätigenae Eteuerelewente mit beweglichen Teilen auf einem Hilfsfundaraent getrennt vom nauptfundament (3) angeordnet sind.

10, -/(irrichtung nach Anspruch 2» dadurch gekecinae ichnet, daß

sur induktiven Beheizung der Schnieizzone .mittels einer-SchmeIzspuie (23) ein Generator, der einen von iüodulationen durch niederfrequente Wechselstromanteile praktisch freien hochfreöuenten 7/echselatrom abgibt, vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet., daß der auf dem Hauptfunda:nent (J) runende, die Schlitten (7) und (8), *«2?:ΐφβπαε Ständer (2) mindestens einen Hohlraum (4.) aufweist, der mit körnigem Material, vorzugsweise mit trockenem band,

gefüllt ist. 009809/1342

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12* Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit βchwingungadämpfenden Hilfsmasaensyeteaen (24) und (25) ausgestattet isit, die Insbesondere am oberen Teil des Ständers (2) und an den Schlitten (7) und (8) angeordnet sind.

13* Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptfundament (3) für den Ständer (2) aus einem Betonklots besteht, der an gedtüupf te η Federn aufgehängt ist. «

14. Vorrichtung zur Durchführung dee Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daS bewegte Teile echwingungsarm ausgefüiirt oder/und euiätzlioh pit Bohwingungsdämpfenden Mitteln -vorsahen sind.

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ι ⁱ ·♦ Le erseire