DE1544302C3 - Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes - Google Patents

Description

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zung des wieder erstarrenden Stabteiles geführt wird. Richtung in weiten Grenzen beliebig gesteuert wer-Dadurch, daß die Mittelachse des Vorratsstabes etwa den. Der Keimkristall 2 und damit auch der aus der mit der Mantelfläche des wieder erstarrenden Stab- Schmelze 5 wieder erstarrende Stabteil 6 sind konteiles fluchtet oder seitlich vorsteht, ist sichergestellt, zentrisch zur Heizeinrichtung 3 angeordnet. Sobald daß auch bei unter Umständen ungleichmäßiger Aus- 5 der wieder erstarrende Stabteil 6 seinen Solldurchschmelzung des Vorratsstabes der dabei entstehende messer erreicht hat, der vorzugsweise geringer ist als vergleichsweise kühle Schmelzstrom mit erhöhter die lichte Weite der Heizeinrichtung 3, wird der der Dotierungskonzentration nicht auf direktem Wege Schmelze zugeführte Stabteil 1 relativ zur Heizeinauf den wieder erstarrenden Stabteil auftreffen kann. richtung seitlich verschoben.

Vielmehr wird der kühle Schmelzstrom durch den io In F i g. 3 ist der Endzustand der seitlichen Ver-

besonders starken Mischeffekt am Rande der Schiebung des Vorratsstabes 1 dargestellt. In dieser

Schmelzzone vor seinem Auf treffen auf die erstar- Lage ist die Mittelachse M des der Schmelzzone 5 zu-

rende Grenzfläche des wieder erstarrenden Stabteiles geführten Stabteiles 1 so weit seitlich verschoben,

weitgehend mit dem gleichmäßig erhitzten Anteil der daß sie etwa mit der seitlichen Begrenzung des wie-

Schmelzzone vermischt werden. 15 der erstarrenden Stabteiles 6 fluchtet oder seitlich

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung vorsteht. Wie ersichtlich, ist die punktiert dargestellte

werden in einem Ausführungsbeispiel an Hand der aufschmelzende Grenzfläche sehr flach ausgebildet.

Zeichnung näher erläutert. Sie besitzt etwa das Profil eines flachen Tellers. Dies

In den F i g. 1 bis 3 sind verschiedene Phasen des ist darauf zurückzuführen, daß durch die ausgeprägte

erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. 20 exzentrische Lage des Vorratsstabes 1 die Heizein-

Nach F i g. 1 wird am unteren Ende eines stabför- richtung 3 sehr intensiv auf den zentralen, inneren migen Halbleiterkörpers 1, vorzugsweise eines Silici- Bereich des Vorratsstabes einwirkt im Gegensatz zu umstabes, eine kegelförmige Verjüngung 4 ange- den bekannten konzentrischen Schmelzverfahren, bei bracht, an die ein dünner stabförmiger Keimkristall 2 denen die Heizwirkung im Bereich der Mittelachse angeschmolzen wird. Der Keimkristall 2 ist ein Ein- 25 des Vorratsstabes 1 vergleichsweise gering ist. Die kristall und dient zum Einkristallzüchten. Der stab- gleichmäßige Durchmischung und/oder Erwärmung förmige Halbleiterkörper 1 kann aus polykristallinem der Schmelze kann noch dadurch gefördert werden, Material bestehen und besitzt günstigerweise einen daß die Halterung des der Schmelzzone 5 zugeführ-Durchmesser, der größer als die lichte Weite der ten Stabteiles 1 in der exzentrischen Lage um ihre Heizeinrichtung 3 ist. Als Heizeinrichtung wird vor- 30 Mittelachse M periodisch hin- und herbewegt oder zugsweise eine mit Hochfrequenzstrom gespeiste In- mit einer um ihre Mittelachse M exzentrischen Beweduktionsspule verwendet. Die kegelförmige . Verjün- gung beaufschlagt wird. Die Amplitude der linearen gung 4 des Halbleiterstabes 1 kann beispielsweise bzw. der exzentrischen Bewegung wird hierbei gündurch mechanische Bearbeitung, wie durch Abschlei- stigerweise etwa auf einen halben Radius des wieder fen oder Sandstrahlen, hergestellt werden. Sie kann 35 erstarrenden Stabteiles festgelegt. Die Heizspule 3 aber auch auf chemischem Wege, beispielsweise besitzt mit Vorteil so viele Windungen, daß die Mandurch Ätzen oder durch Abschmelzen, erzeugt wer- telfläche des der Schmelzzone 5 zugeführten Stabteiden. Das Ende der kegelförmigen Verjüngung 4 wird les 1 und der Außendurchmesser der Heizeinrichtung auf Schmelztemperatur gebracht, sodann wird der in der exzentrischen Lage des Stabes 1 etwa mitein-Keimkristall 2 in die Schmelze 5 eingetaucht und an- 40 ander fluchten. Dadurch wird die Schmelzzone 5 begeschmolzen. Der zeichnerisch nicht dargestellten sonders stabil.

Halterungen des der Schmelze 5 zugeführten Stabtei- Das vorstehend beschriebene Verfahren kann dales 1 und des Keimkristalls 2 werden in Umdrehung hingehend' abgewandelt werden, daß der konzentriversetzt, vorzugsweise in gleichem Drehsinn. sehe wieder erstarrende Stabteil 6 oberhalb und der

In F i g. 2 ist das Verfahren in dem Zeitpunkt dar- 45 exzentrische, der Schmelzzone zugeführte Stabteil 1

gestellt, in dem der aus der Schmelzzone 5 wieder er^ unterhalb der Heizspule 3 angebracht ist. Das erfin-

starrende Stabteil 6 seinen Solldurchmesser erreicht dungsgemäße Verfahren ist nicht auf die Herstellung

hat. Der Solldurchmesser des wieder erstarrenden von Einkristallstäben beschränkt, deren Durchmesser

Stabteiles 6 kann durch Abstimmung der Vorschub- kleiner oder gleich der lichten Weite der Heizeinrich-

geeschwindigkeiten der Stabteile 1 und 6 in axialer 50 tung ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 2 wieder erstarrende Stabteil kann wahlweise unterhalb Patentansprüche: °der oberhalb der Heizeinrichtung angeordnet sein. Es wurde bereits vorgeschlagen, dieses Verfahren

1. Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen dahingehend abzuwandeln, daß es sich mit Vorteil eines lotrecht an seinen Enden gehalterten kri- 5 auch zum Herstellen von einkristallinen Stäben eigstallinen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes, net, deren Dicke gleich der Dicke des zugeführten dessen Halterungen um ihre lotrechte Achse in Stabteiles oder kleiner, insbesondere aber nicht grö-Drehung versetzt und relativ zueinander und zu ßer als die lichte Weite der Heizeinrichtung ist. Hiereiner den Stab ringförmig umgebenden Heizein- für werden die relativen Geschwindigkeiten der axiarichtung in Richtung der Stabachse mit derart io len Bewegungen der Stabhalterungen und der Heizaufeinander abgestimmten Geschwindigkeiten be- einrichtung entsprechend abgestimmt (vgl. deutwegt werden, daß die Dicke des wieder erstarren- sches Patent 1 279 647). Das Verfahren nach dem älden Stabteiles einen vorbestimmten Sollwert er- teren Vorschlag zeichnet sich durch eine gute Durchreicht und wobei eine Stabhalterung relativ zur mischung der Schmelzzone und damit durch einen Heizeinrichtung seitlich verschoben wird, d a - 15 vergleichsweise gleichmäßigen spezifischen Widerdurchgekennzeichnet, daß bei zur Heiz- Standsverlauf über den Stabquerschnitt aus.
einrichtung (3) konzentrischen Lage des wieder Es wurde nun gefunden, daß der vorstehend beerstarrenden Stabteiles (6) die Halterung des der schriebene Vorteil einer guten Durchmischung der Schmelzzone (5) zugeführten Stabteiles (1) relativ Schmelzzone und damit eines gleichmäßigen Widerzur Heizeinrichtung (3) seitlich verschoben wird. 20 Standsverlaufes über den Stabquerschnitt in völlig

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- überraschender Weise und in erhöhtem Maße auch kennzeichnet, daß der der Schmelzzone (5) züge- auf einem von den vorstehend beschriebenen Verfahführte Stabteil (1) relativ zur Heizeinrichtung (3) ren abweichenden Wege erzielt werden kann.

so weit seitlich verschoben wird, daß seine Mit- Die vorliegende Erfindung bezieht sich demgemäß

telachse (M) mindestens etwa bis an die seitliche 35 auf ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen

Begrenzung des wieder erstarrenden Stabteiles eines lotrecht an seinen Enden gehalterten kristalli-

(6) geführt wird. nen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes, dessen

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 unter Halterungen um ihre lotrechte Achse in Drehung Verwendung eines der Schmelzzone zugeführten versetzt und relativ zueinander und zu einer den Stab Stabteiles, dessen Dicke gleich oder größer als 3° ringförmig umgebenden Heizeinrichtung in Richtung die lichte Weite der Heizeinrichtung ist, dadurch der Stabachse mit derart aufeinander abgestimmten gekennzeichnet, daß die Vorschubgeschwindig- Geschwindigkeiten bewegt werden, daß die Dicke keiten der Stabteile (1,6) so bemessen werden, des wieder erstarrenden Stabteiles einen vorbestimmdaß die Dicke des wieder erstarrenden Stabteiles ten Sollwert erreicht und wobei eine Stabhalterung (6) höchstens gleich der lichten Weite der Heiz- 35 relativ zur Heizeinrichtung seitlich verschoben wird, einrichtung (3) ist. Die Erfindung besteht darin, daß bei zur Heizein-

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 richtung konzentrischer Lage des wieder erstarrenbis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung den Stabteiles die Halterung des der Schmelzzone zudes der Schmelzzone (5) zugeführten Stabteiles geführten Stabteiles relativ zur Heizeinrichtung seit-(1) in der exzentrischen Lage um ihre Mittelachse 40 lieh verschoben wird. Die vorliegende Erfindung geht (M) periodisch hin- und herbewegt oder mit einer demnach — im Gegensatz zu dem bekannten Verum ihre Mittelachse (M) exzentrischen Bewegung fahren und zu dem älteren Vorschlag — davon aus, beaufschlagt wird. ■ daß der wieder erstarrende Stabteil konzentrisch und

seitlich unverschiebbar zur Heizeinrichtung angeord-45 net ist. Durch die exzentrische Verschiebung des Vorratsstabes wird erreicht, daß die durch die ungleichmäßige Erhitzung und Wärmeabführung im Vorratsstab entstehende, die Form eines spitzen Kegels besitzende, aufschmelzende Grenzfläche sehr

Es sind Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmel- 50 stark abgeflacht wird. Daraus folgt, daß ein relativ zen eines lotrecht an seinen Enden gehalterten kri- kühler Schmelzstrom mit erhöhter Dotierungskonstallinen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes, be- zentration, der vermutlich die bei konzentrischen Zokannt, dessen Halterungen, von denen mindestens nenschmelzverfahren festzustellende, sehr ungleicheine um ihre lotrechte Achse in Drehung versetzt mäßige, und auch bei den vorgenannten exzentriwird, relativ zueinander und zu einer den Stab ring- 55 sehen Zonenschmelzverfahren, in zwar stark verrinförmig umgebenden Heizeinrichtung in Richtung der gertem Maße, spezifische Widerstandsverteilung über Stabachse mit derart aufeinander abgestimmten den Stabquerschnitt bedingt, nicht mehr auftreten Geschwindigkeiten bewegt werden, daß die Dicke des kann. Da außerdem die Durchmischung der aus der Schmelze wieder erstarrenden Stabteiles über Schmelzzone sehr gut ist, erhält man einen sehr die lichte Weite der Heizeinrichtung hinaus vergrö- 60 gleichmäßigen Temperaturverlauf innerhalb der ßert wird. Hierbei wird die sich drehende Halterung Schmelzzone. Der wieder erstarrende Stabteil kristaldes wieder erstarrenden Stabteiles relativ zur Heiz- lisiert ohne nennenswerte Wärmespannungen aus. einrichtung seitlich verschoben (vgl. deutsche Aus- Dadurch wird die Häufigkeit von Kristallstörungen legeschrift 1 218 404, Kl. 12c/2). Ein derartiges Ver- stark herabgesetzt.

fahren ermöglicht es, Halbleiterstäbe, vorzugsweise 65 In Weiterbildung der Erfindung wird der der Siliciumstäbe, mit noch größerem Querschnitt als Schmelzzone zugeführte Stabteil relativ zur Heizeinnach den ebenfalls bekannten konzentrischen Zonen- richtung so weit seitlich verschoben, daß seine Mitschmelzverfahren herzustellen. Der aus der Schmelze telachse mindestens etwa bis an die seitliche Begren-