DE1519889C

DE1519889C - Device for melting crucible-free zones

Info

Publication number: DE1519889C
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr rer nat 8551 Pretzfeld Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Publication date: 1971-05-27

Description

Das Hauptpatent betrifft eine Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines stabförmigen Körpers aus kristallinem Material mit Halterungen, in denen beide Enden des stabförmigen Körpers eingespannt sind, mit einer ersten Heizeinrichtung, die einen Teil des stabförmigen Körpers bis zum Schmelzen erwärmt, und mindestens einer zweiten Heizeinrichtung, die den aus der Schmelze auskristallisierenden Teil des Körpers nachbeheizt und die aus einem den stabförmigen Körper umschließenden Strahlungsheizring besteht, der sich auf einer Temperatur befindet," die mindestens gleich der Schmelztemperatur des behandelten Materials ist, aber um höchstens so viel darüber liegt, daß die Schmelzzone nicht in dem vom Strahlungsheizring umschlossenen Bereich hineinreicht. ·The main patent relates to a device for crucible-free zone melting of a rod-shaped body made of crystalline material with brackets in which both ends of the rod-shaped body are clamped are, with a first heating device, which part of the rod-shaped body until it melts heated, and at least one second heating device, which crystallizes from the melt Part of the body is reheated and the one that surrounds the rod-shaped body Radiant heating ring, which is at a temperature "at least equal to the melting temperature of the treated material, but is at most so much above that the melting zone does not reach into the area enclosed by the radiant heating ring. ·

Es zeigt sich, daß bei Verwenden eines solchen Strahlungsheizringes der Temperaturgradient in dem festen Halbleitermaterial von der Schmelzzone zu dem Stabende hin flach und gleichmäßig verläuft, wodurch die Zahl der Kristallversetzungen vermindert wird, und zwar auch dann, wenn seine Temperatur etwas unterhalb, etwa 150° C, der Schmelztemperatur des behandelten Materials liegt. Es wird aber nicht nur die Zahl der Versetzungen verringert, sondern es wird auch eine gleichmäßigere Verteilung der Versetzungen über den Stabquerschnitt und über die Stablänge erreicht. Die besonders schädlichen Rejhenversetzungen in Form von »lineages« werden vollkommen beseitigt. Der Strahlungsheizring besteht zweckmäßig aus Graphit, es kann aber auch Wolfram oder Molybdän verwendet werden. Diese beiden Materialien sind aber reich an Verunreinigungen, die aus dem Strahlungsheizring abdampfen und in das Halbleitermaterial eindringen können. Graphit weist dagegen den Nachteil auf, daß bei erhöhter Temperatur, z. B. 1500° C, Oberflächenpartikeln absplittern und in die Schmelze gelangen können, wodurch Kristallstörungen in dem auskristallisierenden Stabteil entstehen. Mit der Erfindung soll dieser Nachteil vermieden werden, und zwar soll der Strahlungsheizring mit einem Material beschichtet werden, dessen Ausdehnungskoeffizient etwa gleich dem des Grundkörpers ist, das gegen hohe Temperaturen von etwa 1600° C beständig ist und das sich mit hoher Reinheit herstellen läßt.It turns out that when using such a radiant heating ring, the temperature gradient in the solid semiconductor material runs flat and evenly from the melting zone to the rod end, thereby reducing the number of crystal dislocations becomes, even if its temperature is slightly below, about 150 ° C, the melting temperature of the treated material. But it not only reduces the number of dislocations, but there will also be a more even distribution of the dislocations over the rod cross-section and over the rod length has been reached. The particularly harmful line dislocations in the form of »lineages« are completely eliminated. The radiant heating ring is expediently made of graphite, but it can also Tungsten or molybdenum can be used. However, these two materials are rich in impurities, which evaporate from the radiant heating ring and can penetrate into the semiconductor material. Graphite, on the other hand, has the disadvantage that at elevated temperature, e.g. B. 1500 ° C, surface particles can splinter and get into the melt, causing crystal defects in the crystallizing Rod part arise. This disadvantage is to be avoided with the invention, namely the radiant heating ring be coated with a material whose coefficient of expansion is approximately equal to that of the The base body is that is resistant to high temperatures of around 1600 ° C and that is at high Can produce purity.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Strahlungsheizring, welcher sich auf einer Temperatur befindet, die mindestens gleich der Temperatur ist, die 150° C unter dem Schmelzpunkt des behandelten Materials liegt, mit einer pyrolytisch aufgebrachten Hartkohleschicht zu überziehen. According to the invention it is proposed that the radiant heating ring, which is at a temperature located at least equal to the temperature 150 ° C below the melting point of the treated material is to be coated with a pyrolytically applied hard carbon layer.

' An Hand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, wird die Erfindung näher erläutert. The invention is explained in more detail with reference to the drawing, in which an exemplary embodiment is shown.

Am unteren Ende eines stabförmigen Körpers 2, der aus halbleitendem Material besteht und dessen Durchmesser beispielsweise größer ist als der Innendurchmesser einer Induktionsheizspule 3, ist ein dünner, stabförmiger Keimkristall 4 angeschmolzen, wel-. eher ein Einkristall sein kann, der zum Einkristallzüchten dient. Die mit Hochfrequenzstrom von beispielsweise 1,5 MHz gespeiste Induktionsheizspule 3 erzeugt eine Schmelzzone 5, die den Stab in zwei Teile 2 α und 2 b auftrennt. Die Achsen der beiden Stabteile sind seitlich achsparallel gegeneinander verschoben. Mindestens ein Stabteil wird um seine Achse gedreht. Durch Relativbewegung zwischen dem Stab 2 und der Heizspule 3 wird die Schmelzzone 5 durch den Stab 2 in Längsrichtung bewegt. Das Zonenschmelzen dient sowohl zum Reinigen des Halbleitermaterials, als auch zum Einkristallzüchten. Es zeigte sich, daß die Kristallqualität der Einkristalle durch Nachheizen des Stabes in dem auskristallisierenden Bereich verbessert werden kann. Bei durchgeführten Versuchen wurde zum Nachheizen ein Graphitring 6At the lower end of a rod-shaped body 2, which consists of semiconducting material and whose diameter is, for example, greater than the inner diameter of an induction heating coil 3, a thin, rod-shaped seed crystal 4 is melted, wel-. rather, it may be a single crystal used for single crystal growth. The induction heating coil 3 fed with high-frequency current of, for example, 1.5 MHz generates a melting zone 5 which divides the rod into two parts 2 α and 2 b . The axes of the two rod parts are laterally shifted axially parallel to one another. At least one rod part is rotated around its axis. By relative movement between the rod 2 and the heating coil 3, the melting zone 5 is moved by the rod 2 in the longitudinal direction. Zone melting serves both for cleaning the semiconductor material and for growing single crystals. It was found that the crystal quality of the single crystals can be improved by reheating the rod in the area which crystallizes out. In tests carried out, a graphite ring 6 was used for post-heating

ίο in Form eines Hohlzylinders verwendet, der durch pyrolytisch^ Zersetzung eines zyklischen Kohlenwasserstoffes mit einer Hartkohleschicht versehen war. Der Graphitring kann durch direkten Stromdurchgang oder auch induktiv beheizt werden, beispielsweise dadurch, daß er dem Wechselfeld einer Induktionsheizspule 7 ausgesetzt wird. Seine Temperatur liegt im Bereich der Schmelztemperatur des behandelten Halbleitermaterials, im Falle von Silicium zwischen 1300 und 1600° C. Vorteilhaft wirdίο used in the form of a hollow cylinder running through pyrolytic ^ decomposition of a cyclic hydrocarbon provided with a hard carbon layer was. The graphite ring can be heated by direct current passage or inductively, for example in that it is exposed to the alternating field of an induction heating coil 7. Its temperature is in the range of the melting temperature of the treated semiconductor material, in the case of silicon between 1300 and 1600 ° C. Is advantageous

ao eine Temperatur gewählt, die über dem Schmelzpunkt des behandelten Halbleitermaterials liegt. Die Höhe des zylinderförmigen Heizstrahlers 6 ist etwa gleich groß wie die Schmelzzonenlänge. Auf diese Weise läßt sich ein besonders gleichmäßiger Temperaturgradient von der Schmelzzone in das erstarrte Halbleitermaterial hinein erzeugen, der insbesondere in dem Bereich wichtig ist, der unmittelbar auf die Schmelzzone folgt. Erfahrungsgemäß werden nämlich in diesem Bereich die Versetzungen gebildet, weil das Halbleitermaterial hier noch in hohem Maße plastisch ist.ao selected a temperature which is above the melting point of the treated semiconductor material. the The height of the cylindrical radiant heater 6 is approximately the same as the length of the melt zone. To this In this way, a particularly uniform temperature gradient can be achieved from the melting zone into the solidified one Produce semiconductor material into it, which is particularly important in the area that directly affects the Melting zone follows. Experience has shown that the dislocations are formed in this area because the Semiconductor material is still highly plastic here is.

Der Strahlungsheizring 6 soll einen Innendurchmesser haben, der wesentlich größer als der Außendurchmesser des behandelten Stabes ist, z. B. doppelt so groß oder größer. Wichtig ist, daß der Strahlungsheizring keine schädlichen Einflüsse auf das Halbleitermaterial ausübt; er muß also aus hochreinem Material hergestellt sein. Vorteilhaft wird der Strahlungsheizring vor seiner Verwendung in der Zonen- Schmelzeinrichtung in Vakuum bei erhöhter Temperatur, ausgeheizt, wodurch Verunreinigungen, insbesondere von der Oberfläche entfernt werden können..The radiant heating ring 6 should have an inside diameter that is significantly larger than the outside diameter of the treated rod is e.g. B. twice as large or larger. It is important that the radiant heating ring has no harmful effects on the semiconductor material; so he must be made of high purity Material to be made. The radiant heating ring is advantageous before it is used in the zone Melting device in vacuum at elevated temperature, baked out, causing impurities, in particular can be removed from the surface ..

Auch auf der aufschmelzenden Seite des Stabes kann dieser zusätzlich beheizt werden, z. B. mit Hilfe einer oberhalb der zum Erzeugen der Schmelzzone dienenden Heizspule 3 angeordneten Vorheizspule. Auch diese Maßnahme trägt zur Vergleichmäßigung der Temperatur der Schmelze bei und bewirkt eineThis can also be heated on the melting side of the rod, e.g. B. with help a preheating coil arranged above the heating coil 3 used to generate the melting zone. This measure also contributes to equalizing the temperature of the melt and brings about a

ebene wachsende Grenzfläche des auskristaliisierenden Stabes.flat growing interface of the crystallizing rod.

Durch Verwenden des hartkohlebeschichteten Strahlungsheizringes werden Kristallstörungen, die durch Graphitsplitter verursacht waren, vollständig beseitigt. Ferner wurde die Versetzungsdichte herabgesetzt, beispielsweise unter 10 000 pro cm² bei einem Stabdurchmesser von 25 mm.By using the hard carbon-coated radiant heating ring, crystal defects caused by graphite fragments are completely eliminated. Furthermore, the dislocation density was reduced, for example below 10,000 per cm ² for a rod diameter of 25 mm.

Die Erfindung wurde an einem Beispiel beschrieben, bei dem die Achsen der beiden Stäbteile achsparallel· seitlich gegeneinander verschoben waren und bei dem der Durchmesser des Stabes 2 größer war als die lichte Weite der Heizspule 3. Es ist jedoch ohne weiteres einzusehen, daß die Erfindung auch bei konzentrisch angeordneten Stabteilen und anderen Größenverhältnissen der Heizspule zu dem Halbleiterstab anwendbar ist. Auch können die beiden Stabteile verschiedene Durchmesser haben.The invention has been described using an example in which the axes of the two rod parts are axially parallel were laterally shifted from each other and in which the diameter of the rod 2 is larger was than the inside width of the heating coil 3. However, it is readily understood that the invention even with concentrically arranged rod parts and other proportions of the heating coil is applicable to the semiconductor rod. The two rod parts can also have different diameters to have.

Claims

Claim:

Modification of the device for crucible-free zone melting of a rod-shaped body crystalline material with brackets in which both ends of the rod-shaped body are clamped are, with a first heating device, which is a part of the rod-shaped body up to Melts heated and at least one second heating device, which crystallizes from the melt Part of the body is reheated and the one that surrounds the rod-shaped body Radiant heating ring, which is at a temperature that is at least is equal to the melting temperature of the treated material, but no more than that much higher lies that the melting zone does not extend into the area enclosed by the radiant heating ring, according to patent 1,275,996, characterized in that the radiant heating ring is at a temperature which is at least is equal to the temperature 150 ° C below the melting point of the treated material lies, and that it is coated with a pyrolytically applied hard carbon layer.

1 sheet of drawings