DE1519894C3 - Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines Halbleiterkristallstabes, der zusammen mit einem an einem seiner beiden Enden eingespannten Keimkristall lotrecht zwischen zwei Stabhalterungen eingespannt wird, in dem mittels einer den Halbleiterstab umschließenden Induktionsheizspule eine Schmelzzone erzeugt wird, welche durch Relativbewegung von Spule und Stab längs des Halbleiterstabes vom Keimkristall ausgehend durch den Stab bewegt wird, bei dem die Stabhalterungen während der Längsbewegung der Schmelzzone in axialer und horizontaler Richtung so gegeneinander bewegt werden, daß der aus der Schmelze auskristallisierende Stabteil bis auf einen vorgegebenen Solldurchmesser verdickt wird, und bei dem die lichte Weite der Induktionsheizspule so gewählt wird, daß die Schmelzzone in der Nähe der Spule eingeschnürt wird.

Ein ähnliches Verfahren ist aus der belgischen Patentschrift 6 64 435 bekannt. Auch hier werden die Stabhalterungen in axialer und horizontaler Richtung gegeneinander verschoben, so daß der Stabdurchmesser über die lichte Weite der Induktionsheizspule hin

aus vergrößert wird.

Aus der französischen Patentschrift 14 16 246 ist ein Zonenschmeizverfahren zu entnehmen, bei dem eine Spulenanordnung verwendet wird, bei der der Abstand zwischen Halbleiterstab und Spule, gemessen senkrecht zur Ziehrichtung, in einer Richtung größer oder kleiner als in allen anderen Richtungen ist, d. h., der Mittelpunkt der Spule fällt nicht mit dem Mittelpunkt des Stabes zusammen. Durch eine solche Anordnung wird vermieden, daß sich in der geschmolzenen Zone Ringe aus nicht aufgeschmolzenem Halbleitermaterial bilden, weiche die Schmelzzonenform verändern können.

Die vorliegende Erfindung dient einem anderen Zweck: Beim tiegelfreien Zonenschmelzen kristalliner Stäbe, insbesondere von Halbleiterstäben mit größerem Querschnitt, beispielsweise von Siliciumstäben mit mehr als 25 mm Durchmesser, mit Hilfe einer Induktionsspule neigen die Kristalle zuweilen dazu, während ihres Wachstums derart seitlich auszuwandern, daß die Stäbe nach Beendigung des Verfahrens korkenzieherartig geschwungene Formen aufweisen. Diese unerwünschte Verformung ist besonders dann zu beobachten, wenn der auskristallisierende Stabteil in verhältnismäßig rasche Drehung versetzt oder derart nachbeheizt wird, daß die als Erstarrungsfront bezeichnete Grenzfläche flüssig/fest, annähernd eben ist

Die geschilderten unerwünschten Verformungen möglichst zu verhindern, ist ein Hauptzweck der Erfindung. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß nach dem Anschmelzen des Keimkristalls die Längsbewegung der Schmelzzone bis zum Erreichen des Solldurchmessers des aus der Schmelze auskristallisierenden Stabteils mit laufend seitlich in eine exzentrische Lage zur Stabachse verschobener Heizspule ausgeführt wird. Die Verschiebung der Heizspule findet ihre natürliche Grenze darin, daß die Heizspule weder den Stab noch die Schmelzzone berühren darf, weil dann sofort der Schmelzprozeß unterbrochen würde und der Stab für die Weiterverarbeitung unbrauchbar wird. Durch die überraschende Tatsache aber, daß die magnetischen Kräfte zwischen der geschmolzenen Zone des Stabes und dem Spulenfeld der Heizeinrichtung die Schmelze von den Windungen der Spule wegzudrücken bestrebt sind, ist die Möglichkeit gegeben, auch mit einer Spule von geringerem Durchmesser als den Durchmessern von Vorratsstabteil und rekristallisiertem Stabteil seitliche Verschiebungen von Heizspule und auch Stabhalterungen von beträchtlicher Größe durchzuführen. Auf diese Weise können gerade Stäbe nicht nur aus geraden einkristallinen oder polykristallinen Stäben hergestellt, sondern auch verformte Stäbe nachträglich begradigt werden. Ferner kann nach dem neuen Verfahren eine gleichmäßigere Verteilung von dotierenden oder Rekombinationszentren bildenden Verunreinigungen in den Halbleiterstäben erreicht werden als mit koaxialer Anordnung von Halbleiterstab und Heizspule. Schließlich kann die Ausbildung von Kristallstörungen vermindert oder sogar praktisch völlig vermieden werden, insbesondere wenn der auskristallisierte Stabteil in der Nähe der Schmelzzone mit einer ihn umschließenden weiteren Heizeinrichtung zusätzlich beheizt wird, die vorteilhaft aus einem Strahlungsheizring besteht, dessen Temperatur etwa gleich der Schmelztemperatur des behandelten Materials ist _s An Hand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind, soll die Erfindung näher erläutert werden.
F i g. 1 und 2 zeigen verschiedene Phasen des neuen

Verfahrens mit Ziehrichtung von unten nach oben;

■ F i g. 3 bis 5 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel mit umgekehrter Ziehrichtung.

Nach F i g. 1 wird in einem Siliciumstab 2, der einen Durchmesser D\ hat und an dessen unterem Ende ein Keimkristall 3 mit einem Durchmesser Da entsprechend einem Querschnitt, der Vio des Stabquerschnitts oder weniger betragen möge, angeschmolzen ist, mit Hilfe einer mit Hochfrequenzstrom gespeisten Induktionsheizspule 4 eine Schmelzzone 5 erzeugt, die durch Aufwärtsbewegen der Heizspule 4 oder bei ruhender Heizspule 4 durch Abwärtsbewegen der Halterungen des Stabes 2 durch diesen der Länge nach hindurchgeführt werden kann. Der Keimkristall 3 sei ein Einkristall, der zum Einkristallzüchten dient. Er und mit ihm der wiedererstarrte Stabteil 2a werden um ihre lotrechte Achse gedreht. Die Schmelzzone befindet sich im Zeitpunkt entsprechend F i g. 1 am Übergang vom dünnen Keimkristall zu einer größeren Stabdicke. Die darauffolgenden Verfahrensmaßnahmen sind durch Pfeile angedeutet. Die Heizspule 4 wird mit Bezug auf den ruhend angenommenen Stab 2 nicht nur nach oben, sondern gleichzeitig seitwärts, z.B. im Bild nach links bewegt, so daß die Schmelzzone 5 infolge der magnetischen Kräfte auch nach links gedrückt wird. In F i g. 2 ist diese Phase dargestellt, in der gemäß Annahme der Solldurchmesser Eh des auskristallisierenden Stabteiles erreicht sein möge. Von nun an wird die Heizspule 4 relativ zum Stab 2 nur noch nach oben bewegt. Wenn wie hier der auskristallisierende Stabteil 2a dicker als der Vorratsstab 2b werden soll, wird die Halterung des letzteren ständig mit entsprechender Geschwindigkeit in axialer Richtung der Schmelzzone genähert.

Zur gleichmäßigeren Verteilung von dotierenden oder/und Rekombinationszentren bildenden Verunreinigungen über den Stabquerschnitt kann die Heizspule im Verlauf des Zonenschmelzverfahrens wieder in eine Lage mit kleinerer Exzentrizität oder in ihre Lage koaxial zum Stab zurückbewegt oder ständig zwischen dieser Lage und Lagen mit vorgegebener Exzentrizität bzw. zwischen Lagen mit vorgegebener größter und kleinster Exzentrizität hin- und herbewegt werden. Vorteilhaft ist die Geschwindigkeit der Hin- und Herbewegung groß gegen die Geschwindigkeit, mit der die Schmelzzone durch den Stab hindurchgezogen wird. Beispielsweise kann mit einer Ziehgeschwindigkeit von 2 mm/min eine Spulenbewegung von 9 Wechseln je Minute zwischen größter und kleinster Exzentrizität gekoppelt werden. Beträgt dabei die Umlaufgeschwindigkeit des auskristallisierten Stabteils 20 U/min, so durchwandert die Lage der größten Exzentrizität nacheinander verschiedene Winkellagen des auskristallisierten Stabteils und trifft jeweils erst beim 9. Mal wieder auf die gleiche Winkellage des letzteren.

Wird der Hin- und Herbewegung der Heizspule beispielsweise mit Hilfe eines Exzenterantriebs ein annähernd sinusförmiger zeitlicher Verlauf aufgezwungen, so werden Erschütterungen der Zonenschmelzanlage weitgehend vermieden. Noch besser kann man das dadurch erreichen, daß man die Heizspule eine kreisende Bewegung um eine außerhalb der Achse des auskristallisierten Stabteils liegende und zu dieser parallele Achse mit konstanter Umfangsgeschwindigkeit auf der von jedem Punkt der Spule beschriebenen Kreisbahn ausführen läßt. Das kann beispielsweise durch eine Parallelführung mit Hilfe eines zweiten Exzenters mit gleich großer Exzentrizität, gleicher Umlaufgeschwindigkeit wie der Antriebsexzenter und mit diesem übereinstimmender Winkellage erreicht werden.

In den F i g. 3 bis 5 sind entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen wie in den Fig. 1 und 2. Ebenso sind die auf die dargestellten Phasen folgenden Bewegungsrichtungen durch Pfeile angedeutet. Beispielsweise hat der der Schmelze zugeführte Stabteil einen Durchmesser von 26 mm und der auskristallisierte Stabteil einen Durchmesser von 33 mm. Ihre Achsen seien parallel, aber um 5 mm gegeneinander versetzt. Zu Beginn des Zonenschmelzen sei eine Heizspule 4 mit einem Innendurchmesser von 30 mm und einem Außendurchmesser von 55 mm so angeordnet, daß ihre Achse in einer Ebene mit den Achsen der beiden Stabteile liegt und ihre Exzentrizität gegenüber beiden Stabteilen gleich groß ist, also je 2,5 mm beträgt. Bis zum Erreichen des Solldurchmessers des auskristallisierenden Stabteils 2a wird, wie aus F i g. 3 zu ersehen, die Heizspule 4 allmählich seitlich verschoben, beispielsweise bis zu einer Exzentrizität von 7 mm gegenüber dem Stabteil 2a und von 2 mm gegenüber dem Stabteil 2b. Es ist auch möglich, das Anschmelzen des Keimkristalls zunächst mit koaxialer Anordnung der beiden Stabteile und der Heizspule durchzuführen und anschließend die beschriebene Exzentrizität in der Zeit bis zum Erreichen des Solldurchmessers des auskristallisierenden Stabteiles durch kontinuierliches Verschieben der Heizspule 4 und eines oder beider Stabteile herzustellen. F i g. 4 entspricht einem Zeitpunkt, in welchem der Solldurchmesser und zugleich die äußerste Grenze der seitlichen Verschiebung der Heizspule 4 erreicht sind.

Von diesem Zeitpunkt an werde die Heizspule 4 seitlich um 4 mm hin- und herbewegt. Die F i g. 4 und 5 entsprechen den beiden Umkehrpunkten. Im Falle einer zwischen den gleichen Grenzlagen ausgeführten kreisenden Bewegung der Heizspule 4 umschließt die von der Spulenmitte beschriebene Kreisbahn, wie man sieht, nicht die Achse des auskristallisierten Stabes 2a.

Mit dem beschriebenen Verfahren wurden gerade Halbleiterstäbe hergestellt, deren spezifischer Widerstand, über den Stabquerschnitt gemessen, maximale Abweichungen von weniger als 10% hatte und die eine Etch-pit-Dichte von weniger als 50 000 pro cm² aufwiesen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines Halbleiterkristallstabes, der zusammen mit einem an einem seiner beiden Enden eingespannten Keimkristall lotrecht zwischen zwei Stabhalterungen eingespannt wird, indem mittels einer den Halbleiterstab umschließenden Induktionsheizspule eine Schmelzzone erzeugt wird, welche durch Relativbewegung von Spule und Stab längs des Halbleiterstabes vom Keimkristall ausgehend durch den Stab bewegt wird, bei dem die Stabhalterungen während der Längsbewegung der Schmelzzone in axialer und horizontaler Richtung so gegeneinander bewegt werden, daß der aus der Schmelze auskristallisierende Stabteil bis auf einen vorgegebenen Soll-Durchmesser verdickt wird, und bei dem die lichte Weite der Induktionsheizspule so gewählt wird, daß die Schmelzzone in der Nähe der Spule eingeschnürt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Anschmelzen des Keimkristalls die Längsbewegung der Schmelzzone bis zum Erreichen des Soll-Durchmessers des aus der Schmelze auskristallisierenden Stabteils mit laufend seitlich in eine exzentrische Lage zur Stabachse verschobener Heizspule ausgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizspule nach Erreichen des SoIl-

• durchmessers in eine periodische Bewegung zwischen zwei Grenzlagen ihrer Exzentrizität versetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizspule in eine kreisende Bewegung um eine außerhalb der Achse des auskristallisierenden Stabteils liegende und zu dieser parallele Achse versetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizspule mit einer Geschwindigkeit, die groß gegen die Ziehgeschwindigkeit ist, bewegt wird.