DE1519897A1

DE1519897A1 - Verfahren und Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes,insbesondere Halbleiterstabes

Info

Publication number: DE1519897A1
Application number: DE19661519897
Authority: DE
Inventors: Ludwig Sporrer; Carl-Heinz Dipl-Chem Dr Vogel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-08-06
Filing date: 1966-08-06
Publication date: 1972-02-10
Also published as: DE1519897B2; GB1164940A; US3561931A; DE1519897C3

Description

SIEMENS-SCHUCKERTWERKE Erlangen -" 5. AIiG. 7966

Aktiengesellschaft Weraer-von-Sienens-Str.

PLA 66/1537

Verfahren und Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes

Zusatz zum Patent (Anm. S 89 317 IVc/i2c - DAS 1 218

PLA 64/1043)·

Das Hauptpatent (DAS 1 218 404 - PLA 64/1043) betrifft

ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines lotrecht an seinen Enden gehalterten kristallinen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes, dessen Halterungen/ von denen mindestens eine um ihre lotrechte Achse in Drehung versetzt wird, relativ zueinander und zu einer den Stab ringförmig umgebenden Heizeinrichtung in Richtung der Stabachse mit derart aufeinander abgestimmten

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Geschwindigkeiten bewegt werden, daß die Dicke des aus der Schmelze wieder erstarrenden Stabteiles über die lichte Weite der Heizeinrichtung hinaus vergrößert wird, wobei ferner die Halterung des wieder erstarrenden Stabteiles relativ zur Heizeinrichtung seitlich verschoben wird. Hierbei sind zu Beginn des Verfahrens die beiden Halterungen des Stabes in der gleichen lotrechten Achse angeordnet. Anschließend wird die Halterung des wieder erstarrenden Stabteiles relativ zur Halterung des zu schmelzenden Stabteiles und zur Heizeinrichtung fortlaufend seitlich und in der Höhe verschoben. Dadurch wird der Querschnitt des aus der Schmelze erstarrenden Stabteiles ständig vergrößert. Sobald der Sollquerschnitt des wieder erstarrenden Stabteiles erreicht ist, wird dessen Halterung in der exzentrischen Lage festgehalten und nur noch in der Höhe verstellt. Mit diesem Verfahren lassen sich Halbleiterstäbe, vorzugsweise Siliziumstäbe, mit größerem Querschnitt als nach dem bekannten koaxialen Zonenschmelzverfahren bei verbesserter Kristallqualität und einer vergleichsweise gleichmäßigen radialen Widerstandsverteilung über den Stabquerechnitt herstellen.

In Weiterbildung dieses Verfahrens wurde bereits vorgeschlagen, den wieder erstarrenden Stabteil in umgekehrter Richtung seitlich zu verschieben und die seitliche Verschiebung während des Zonenschmelzvorganges in beiden Richtungen mehrfach zu wiederholen (vgl. deutsche Patentanmeldung S 98 115 IVc/i2c - PLA 65/1426). Mit diesem zusätzlichem Verfahrensschritt konnte der spezifische Widerstandsverlauf über den Stabquerschnitt noch weiter vergleichmäßigt werden.

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Nach einem anderen älteren Vorschlag wird der Halbleiterstab in zwei seitlich gegeneinander achsparallel verschiebbaren Halterungen eingespannt, von denen eine an einer lotrechten Welle befestigt ist. Die Welle ist exzentrisch in einem um eine lotrechte Achse in einem Lagerblock drehbaren Zylinder gelagert. Durch einen Schneckenantrieb wird der Zylinder in Drehung versetzt. Dadurch wird die untere Stabhaiterung exzentrisch verachoben. Durch einen Reversiermotor kann eine fortlaufende seitliche Hin- und Herbewegung der unteren Stabhalterung erzeugt werden (vgl* deutsche Patentanmeldung S 100 722 IVc/12c - PLA 65/1824).

Schließlich wurde bereits vorgeschlagen, die vorstehend beschriebene Vorrichtung noch dadurch zu verbessern, daß der drehbare Zylinder seinerseits in einem in dem Lagerblock drehbaren Exzenter gelagert ist. Damit erhält man eine größere Freiheit in der Wahl der Amplitude der Hin- und Herbewegung der unteren Stabhalterung (vgl. deutsche Patentanmeldung S 104 126 IVc/i2c - PLA 66/1359).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehend beschrie benen exzentrischen Zonenschmelzverfahren bzw. die zur Durchführung dieser Verfahren benötigte Vorrichtung zu vereinfachen und zu verbessern.

Erfindungßgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines lotrecht an seinen Enden gehalterten kristallinen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes, dessen Halterungen, von denen mindestens eine um ihre lotrechte Achse in Drehung versetzt wird, relativ zueinander und

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zu einer den Stab ringförmig umgebenden Heizeinrichtung in Richtung der Stabachse mit derart aufeinander abgestimmten Geschwindigkeiten bewegt werden, daß die Dicke des aus der Schmelze wieder ' erstarrenden Stabteiles über die lichte Weite der Heizeinrichtung hinaus vergrößert wird, wobei ferner die Halterung des wieder erstarrenden Stabteiles·relativ zur Heizeinrichtung seitlich verschoben wird, der andere, d.h. der zu schmelzende Stabteil um eine zu seiner Mittelachse parallele exzentrische Achse in Drehung versetzt wird. Durch die Verlagerung der exzentrischen Bewegung von dem wieder erstarrenden Stabteil auf den zu schmelzenden Stabteil wird die zur Erzeugung.der exzentrischen Bewegung dienende Vorrichtung wesentlich vereinfacht. Diese Maßnahme bringt den weiteren Vorteil mit sich, daß die für das exzentrische Zonenschmelzen gemäß den beiden erstgenannten Verfahren geeigneten Zonenschme1zanlagen auch für das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbar sind. Von besonderer Bedeutung für das erfindungsgemäße Verfahren ist, daß durch die Rührbewegung des exzentrisch geführten zu schmelzenden Stabteiles die Schmelzzone gut durchmischt wird, was eine weitgehend gleichmäßige radiale Widerstandsverteilung über den Stabquerschnitt ergibt. Mit besonderem Vorteil werden die beiden Halterungen in entgegengesetztem Sinne in Drehung versetzt. Dadurch erhält man eine besondere gute Durchwirbelung und Durchmischung der Schmelzzone, was hinsichtlich der Kristallqualität und der radialen Widerstandsverteilung sehr günstig ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert.

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In Pig. 1 sind zwei verschiedene Phasen des erfindungsgemäßen

Verfahrens dargestellt.
In Fig. 2 ist in schematascher Darstellung der Bewegungsablauf

des zu schmelzenden Stabteiles dargestellt. Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer Stabhalterung zur Durchführung des erfindungsgemäßen

Verfahrens.
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf die Halterung nach Fig· 3«

Nach Fig. 1 wird in einem Halbleiterstab 1, der sich aus dem zu schmelzenden Stabteil 2 und Sem aus der Schmelze wieder erstarrenden Stabteil 3 zusammensetzt, und an dessen unterem Ende ein zeichnerisch nicht dargestellter Keimkristall angeschmolzen ist, mit Hilfe einer mit Hochfrequenzstrom gespeisten Induktionsspule 4 eine Schmelzzone 5 erzeugt, die durch Auf- oder Abwärtsbewegen der Induktionsspule 4 oder bei ruhender Induktionsspule durch Ab- oder Aufwärtsbewegen der Halterungen des Halbleiterstabes 1 durch diese: der Länge nach hindurchgezogen werden kann. Die Mittelachse der als Heizeinrichtung dienenden Induktionsspule 4 ist mit M bezeichnet. Die Antriebswelle für den wieder erstarrenden Stabteil sitzt zentrisch in dessen Halterung. Die Antriebswelle 6 für den zu schmelzenden Stabteil 2 ist in dessen Halterung 7 exzentrisch eingeführt und in der exzentrischen, lotrechten Lage gesichert. Die Längsachse der Antriebswelle 6 ist mit £ bezeichnet. Die beiden Stabteile 2, 3 werden durch an sich bekannte Antriebsvorrichtungen in Drehung versetzt. Gleichzeitig wird der wieder erstarrende Stabteil 3 relativ zum Stabteil 2 und zur Heizeinrichtung 4 seitlich verschoben. Sobald der Sollquerschnitt des wieder erstarrenden

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Stabteiles 3 erreicht ist, wird die seitliche Verschiebung eingestellt und der Stabteil 3 .dreht sich nur mehr um seine lotrechte Achse A. Der zu schmelzende Stabteil 2 wird entgegen der Bewegungsrichtung der Heizeinrichtung 4 axial verschoben, während der Stabteil 3 keine axiale Bewegung ausführt. Mit besonderem Vorteil werden die Stabteile 2, 3 gegensinnig um die lotrechten Achsen A, E gedreht. Dadurch wird die Schmelzzone 4 gut durchmischt, was eine äußert gleichmäßige radiale Widerstandsverteilung über den Stabquerschnitt ergibt (Ag & 5 - 7 #)· Die Exzentrizität e^ des wieder erstarrenden Stabteiles 3 darf höchstens so groß sein, daß aus der Schmelzzone 4 kein flüssiges Material abtropft. Beispielsweise kann sie bei einem Durchmesser des auskristallisierenden Stabteiles 3 von 35 mm etwa bis zu 10 mm betragen. Die Exzentrizität e₂ des zu schmelzenden Stabteiles ist günstigerweise durch die noch näher zu beschreibende Halterung 7 verschieden einstellbar. Durch Veränderung der Exzentrizität e, kann der "Rühreffekt" des zu schmelzenden Stabteiles 2 weitgehend verändert werden. Die von dem zu schmelzenden Stabteil 2 überstrichene Fläche ist in Fig. 2 durch Schraffierung gekennzeichnet.

Dem in Pig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind folgende Daten zugrundegelegt;

Die Drehgeschwindigkeit des wieder erstarrenden Stabteiles 3 beträgt bei einem Stabdurcjimesser von 33 mm 8 bis 70 ü/min, vorzugsweise 25 U/min. Die Drehgeschwindigkeit des der Schmelze zugeführten Stabteiles 2 beträgt bei einem Stabdurchmeseer von 27 mm 8 bis 80 U/min, vorzugsweise 25 ü/min. Dabei wird der Stabteil 2 günstigerweise mit etwa 1,5 ma/min in Richtung auf den Stabteil 3

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bewegt. Die Heizeinrichtung 4 wird in der entgegengesetzten Richtung mit 1 bis 2 mm/min, vorzugsweise 1,8 mm/min, nach oben bewegt. Die Exzentrizität βρ des Stabteiles 2 beträgt etwa 2 mm, während die Exzentrizität e, des Stabteiles 3 auf etwa 8 mm festgesetzt ist.

In den Pig. 3 und 4 ist eine besonders einfache Halterung des Stabteiles 2 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Halterung 7 setzt sich aus zwei Rohrstücken 8 und. 9 zusammen, die durch einen Boden 10 getrennt sein können. In das eine Rohrstück 8 ist der Stabteil 2 eingebracht, vorzugsweise eingeklemmt. Am Rohrstück 9 sind in zwei verschiedenen Ebenen 11 und 12 Stellschrauben 13 angebracht, die zur exzentrischen Halterung der Antriebswelle 6 bzw. zur Sicherung der lotrechten Lage des Stabteiles 2 dienen. Im Ausführungsbeispiel dienen die in der Ebene 11 angebrachten Stellschrauben 13 zur Pestlegung der Exzentrizität ep der Antriebswelle 6, während die in der Ebene 12 angebrachten Stellschrauben 13 zur Sicherung der lotrechten Lage des Stabteiles 2 vorgesehen sind. Vorzugsweise sind in jeder Ebene 11, 12 drei um 120° versetzte Stellschrauben 13 vorgesehen.

Es ist ersichtlich, daß verschiedene Verfahrensschritte geändert werden können, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.

Beispielsweise können die beiden Stabteile 2, 3 in gleicher Richtung mit entsprechend den gewünschten Stababmesaungen aufeinander abgestimmten Geschwindigkeiten axial bewegt werden. Es kann auch

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eine gleichsinnige Drehrichtung der beiden Stabhalterungen vorgesehen sein. Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf wieder erstarrende Stabteile beschränkt, deren Durchmesser größer als die lichte Weite der Heizeinrichtung ist. Es kann auch dann angewendet werden, falls der Durchmesser des wieder erstarrenden Stabteiles gleich oder kleiner als der Durchmesser des zu schmelzenden Stabteiles und/oder die lichte Weite der Heizeinrichtung ist. Außerdem kann es auch mit Vorteil dann eingesetzt werden, wenn der wieder erstarrende Stabteil koaxial zur Mittelachse der Heizeinrichtung angeordnet 1st. Desgleichen ist seine Anwendung vorteilhaft, wenn der Durchmesser beider Stabteile größer als die lichte Weite der Heizeinrichtung .ist.

Die aus der vorstehenden Beschreibung - oder/und die aus der
zugehörigen Zeichnung - entnehmbaren Merkmale, Arbeitsvorgänge und Anweisungen sind, somit nicht vorbekannt, im einzelnen,
ebenso wie ihre hier erstmals offenbarten Kombinationen untereinander, als wertvolle erfinderische Verbesserungen anzusehen.

4 Figuren

4 Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines lotrecht an seinen Enden gehalterten kristallinen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes, dessen Halterungen, von denen mindestens eine um ihre lotrechte Achse in Drehung versetzt wird, relativ zueinander und zu einer den Stab ringförmig umgebenden Heizeinrichtung in Richtung der Stabachse mit derart aufeinander abgestimmten Geschwindigkeiten bewegt werden, daß die Dicke des aus der Schmelze wieder erstarrenden Stabteiles über die lichte Weite der Heizeinrichtung hinaus vergrößert wird, wobei ferner die Halterung des wieder erstarrenden Stabteiles relativ zur Heizeinrichtung seitlich verschoben wird, nach Patent (Anm. S 89 517 IVc/12

- PLA 64/1043), dadurch gekennzeichnet, daß der andere, d.h. der zu schmelzende Stabteil um eine zu seiner Mittelachse parallele exzentrische Achse in Drehung versetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halterungen in entgegengesetztem Sinne in Drehung versetzt werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzentrizität des zu schmelzenden Stabteiles verschieden einstellbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle des zu schmelzenden Stabteiles durch an der Halterung angebrachte Verstellelemente exzentrisch befestigt ist.

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