DE19610650B4 - Device for the crucible-free zone melting of semiconductor material rods - Google Patents

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    • C30B13/16—Heating of the molten zone
    • C30B13/20—Heating of the molten zone by induction, e.g. hot wire technique

Abstract

Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterialstäben, bei der der Stab in einem Rezipienten lotrecht angeordnet ist, eine den Stab ringförmig umgebende Induktionsheizspule, deren Innendurchmesser kleiner als der Durchmesser des abschmelzenden Vorratsstabs ist, die Schmelzzone erzeugt und oberhalb der Induktionsheizspule ein Wärmestrahlungsreflektor um Bereich der Schmelzzone angeordnet ist, der das abschmelzende Ende des Vorratsstabs konzentrisch mindestens teilweise umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmestrahlungsreflektor als mehrfach vertikal geschlitzter Metallring (2) hoher elektrischer und hoher Wärmeleitfähigkeit sowie hohem Reflexionsvermögen ausgebildet ist, wobei der Ring (2) am Induktorspalt unterbrochen ist.Device for crucible-free zone melting of semiconductor material rods, in which the rod is arranged vertically in a recipient, an induction heating coil surrounding the rod in a ring, the inside diameter of which is smaller than the diameter of the melting supply rod, the melting zone and a heat radiation reflector arranged around the melting zone above the induction heating coil which concentrically at least partially surrounds the melting end of the supply rod, characterized in that the heat radiation reflector is designed as a metal ring (2) with multiple vertical slits, high electrical and high thermal conductivity and high reflectivity, the ring (2) being interrupted at the inductor gap.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterialstäben, bei der der Stab in einem Rezipienten lotrecht angeordnet ist, eine den Stab ringförmig umgebende Induktionsheizspule, deren Innendurchmesser kleiner als der Durchmesser des abschmelzenden Vorratsstabs ist, die Schmelzzone erzeugt und oberhalb der Induktionsheizspule ein Wärmestrahlungsreflektor angeordnet ist, der das abschmelzende Ende des Vorratsstabs konzentrisch mindestens teilweise umschließt.The invention relates to a Device for crucible-free zone melting of semiconductor material bars, at the rod is arranged vertically in a recipient, one the rod circular surrounding induction heating coil, the inside diameter of which is smaller than the diameter of the melting rod is the melting zone generated and a heat radiation reflector above the induction heating coil is arranged, the melting end of the supply rod concentrically at least partially encloses.

Das Abschmelzen eines polykristallinen Halbleitermaterialsstabes mittels einer Induktionsheizspule beim tiegellosen Floating-Zone-Kristallzüchten soll homogen mit einer glatten Abschmelzfront insbesondere am Außenrand des Stabes erfolgen. Es dürfen keine Materialreste stehen bleiben, die induktiv nicht mehr abgeschmolzen werden können, da diese Reste leicht die Induktionsheizspule berühren können und Kurzschlüsse zwischen Spule und Stab hervorrufen, die zum Strukturverlust und notwendigen Abbruch des Züchtungsvorganges bzw. zur Zerstörung der Induktionsheizspule führen. Dem Stand der Technik nach sind verschiedene Lösungen bekannt, um die Oberfläche des Halbleitermaterialstabes vor der Weiterverarbeitung zu glätten. So wird einerseits der Stab vor der Weiterverarbeitung rund geschliffen, was einen Materialverlust von 10 bis 15 % bedeutet, andererseits wird durch gezielte Beeinflussung des Temperaturfeldes die Bildung von solchen unerwünschten Schmelzrelikten von vornherein verringert bzw. unterdrückt.The melting of a polycrystalline semiconductor material rod using an induction heating coil for crucible floating zone crystal growing homogeneous with a smooth melting front, especially on the outer edge of the staff. It may no material residues remain that no longer melt away inductively can be since these residues can easily touch the induction heating coil and shorts between coil and rod cause the necessary structure loss and Abort the breeding process or for destruction the induction heating coil. According to the prior art, various solutions are known for the surface of the Smooth the semiconductor material rod before further processing. So on the one hand, the rod is ground round before further processing, which means a material loss of 10 to 15%, on the other hand formation is influenced by deliberately influencing the temperature field of such undesirable Enamel relics reduced or suppressed from the outset.

In DE-OS 28 12 216 ist ein Verfahren zum Aufschmelzen des Vorratsstabes dargestellt, bei dem der Innendurchmesser der Induktionsheizspule kleiner ist als der des aufzuschmelzenden Vorratsstabes. Hier wird mindestens teilweise ein hoher Gradient des Spulenfeldes im Bereich des Schmelzzonenrandes mittels eines ein Kühlmittel enthaltenden Kurzschlussringes aus elektrisch gut leitendem Material erzeugt und – damit der gesamte Stab bezüglich seines Umfanges im Schmelzprozess gleichberechtigt ist – rotieren der rekristallisierende Stabteil und/oder der Vorratsstab während des Schmelzprozesses um die Ziehachse.In DE-OS 28 12 216 a method for melting the supply rod is shown, in which the inner diameter of the induction heating coil is smaller than that of the supply rod to be melted. Here, a high gradient of the coil field in the area of the melting zone edge is generated at least partially by means of a short-circuit ring containing a coolant made of electrically well-conducting material and - so that the entire rod is equally important in terms of its scope in the melting process - the recrystallizing rod part and / or the supply rod rotate during the Melting process around the drawing axis.

Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, ist in DE-OS 25 57 186 beschrieben. Hier ist in einer Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterialstäben, bei der der Stab in einem Rezipienten lotrecht angeordnet ist und eine den Stab ringförmig umgebende Induktionsheizspule die Schmelzzone erzeugt, zur Vermeidung von Wärmespannungen insbesondere im rekristallisierten Stabteil umschließt ein axial beweglicher ein- oder zweiteiliger Wärmeschirm aus thermisch stabilem, wärmeisolierendem Material u.a. das abschmelzende Ende des Vorratsstabs mindestens teilweise konzentrisch.The prior art from which the invention is based is in DE-OS 25 57 186 described. Here, in an apparatus for crucible-free zone melting of semiconductor material rods, in which the rod is arranged vertically in a recipient and an induction heating coil that surrounds the rod in a ring creates the melting zone, in order to avoid thermal stresses, in particular in the recrystallized rod part, an axially movable one-part or two-part heat shield is enclosed thermally stable, heat-insulating material, including the melting end of the supply rod, at least partially concentrically.

Die genannten, dem Stand der Technik nach bekannten Lösungen sind in ihrer Realisierung technisch aufwendig, rufen unerwünschte Störungen des HF-Feldes hervor und sind für andere als kreisförmige Querschnitte des Vorratsstabes nicht geeignet.The aforementioned, the state of the art for known solutions are technically complex to implement, call undesirable interference in the RF field and are for other than circular Cross sections of the supply rod are not suitable.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterialstäben anzugeben, die unerwünschte Schmelzrelikte unterdrückt und dabei einen geringen technischen Aufwand erfordert, eine hohe Wirksamkeit auch bei Stäben mit nichtkreisförmigem Querschnitt gewährleistet und deren auftretende Nebenwirkungen auf die Kristallisationsbedingungen vernachlässigbar gering sind.It is therefore the object of the invention to provide a device for crucible-free zone melting of semiconductor material rods, the unwanted Melting relics suppressed and requires little technical effort, a high one Effectiveness also with bars with non-circular Cross section guaranteed and their side effects on the crystallization conditions negligible are low.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einer Vorrichtung der eingangs genannten Art der Wärmestrahlungsreflektor als mehrfach vertikal geschlitzter Metallring hoher elektrischer und hoher Wärmeleitfähigkeit sowie hohem Reflexionsvermögen ausgebildet ist, wobei der Ring am Induktorspalt unterbrochen ist.The object is achieved in that in a device of the type mentioned the heat radiation reflector as a vertically slotted metal ring of high electrical and high thermal conductivity as well as high reflectivity is formed, wherein the ring is interrupted at the inductor gap.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem oberhalb der Induktionsheizspule angeordneten Wärmestrahlungsreflektor verringert die Strahlungsverluste am abschmelzenden Ende des Halbleitermaterialstabes aufgrund der Reflexion der Wärmestrahlung. Dies erfolgt in der erfindungsgemäßen Lösung in Höhe der Abschmelzfront, d.h. die Wirkung der reflektierten Strahlung tritt als Senkung der Wärmeverluste dort ein, wo sie unmittelbar benötigt wird. Damit wird bereits auf die Temperatur des abschmelzenden Endes des Vorratsstabs Einfluss genommen. Dadurch wird die sonst übliche scharfe periphere Kante verrundet und durch die höhere Wärmestrahlungsdichte das Entstehen von Schmelzrelikten unterdrückt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeigte wegen ihres sehr geringen Einflusses auf das HF-Feld entsprechend geringe Nebenwirkungen auf die Kristallisationsbedingungen. Da der Wärmestrahlungsreflektor thermisch mit der gekühlten Induktionsheizspule verbunden ist, eräbrigt sich eine zusätzliche Kühlung. Er verursacht somit keine zusätzliche Kontamination.The device according to the invention with the above the heat radiation reflector arranged in the induction heating coil is reduced the radiation losses at the melting end of the semiconductor material rod due to the reflection of the heat radiation. This takes place in the solution according to the invention at the level of the melting front, i.e. the effect of the reflected radiation occurs as a reduction in heat loss where it is needed immediately becomes. This is already at the temperature of the melting end of the supply staff. This makes the otherwise usual sharp peripheral edge is rounded and due to the higher heat radiation density the emergence suppressed by melting relics. The device according to the invention showed accordingly due to their very little influence on the HF field minor side effects on the crystallization conditions. Since the Thermal radiation reflector thermally with the cooled Induction heating coil is connected, an additional is unnecessary Cooling. It therefore does not cause any additional ones Contamination.

Durch die Rotation des Vorratsstabes und die Reflexion der Wärmestrahlung auf diesen wird die gleiche Wirkung in allen Punkten seiner Oberfläche in der Höhe des Wärmestrahlungsreflektors erzielt, auch wenn der Querschnitt des Stabes von einem kreisförmigen abweicht.By rotating the supply rod and the reflection of heat radiation on these the same effect in all points of its surface in the Amount of Heat radiation reflector achieved even if the cross-section of the rod deviates from a circular one.

Besonders geeignet ist die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Herstellung von Floting-Zone-Silizium.The device according to the invention is particularly suitable for the Manufacture of flotation zone silicon.

Die Induktionsheizspule, auf der der Wärmestrahlungsreflektor angeordnet ist, kann als einwindige Flachspule ausgebildet sein.The induction heating coil on which the heat radiation reflector is arranged, can be designed as a single-winding flat coil.

Von Vorteil hat sich erwiesen, den Wärmestrahlungsreflektor direkt als Teil der Induktionsspule auszubilden.It has proven to be an advantage Thermal radiation reflector trained directly as part of the induction coil.

Der Wärmestrailungsreflektor weist eine solche Höhe auf, dass er den Abschmelzbereich des Vorratsstabs mindestens überdeckt, und sein Durchmesser ist dem des Vorratsstabs angepasst, ohne diesen zu berühren.The heat radiation reflector has such a height that it covers the melting range of the Supply rod at least covered, and its diameter is adapted to that of the supply rod without touching it.

Der als mehrfach vertikal geschlitzter Metallring ausgebildete Wärmestrahlungsreflektor besteht vorzugsweise aus Silber. Zu Beobachtungszwecken ist der Metallring an beliebigen Stellen seines Umfanges unterbrochen. Außerdem ist vorgesehen, dass der Metallring thermisch mit der Induktionsheizspule verbunden ist.The one with multiple vertical slits Metal ring trained heat radiation reflector consists preferably of silver. For observation purposes, the Metal ring interrupted at any point on its circumference. Besides, is provided that the metal ring is thermally connected to the induction heating coil is.

Der Wärmestrahlungsreflektor kann als doppelwandiger geschlossener Quarzglasring, der eine temperaturfeste gut rückstreuende Substanz, z. B. TiO2-Pulver, hermetisch umschließt, ausgebildet sein oder als Ring aus temperaturbeständigem rückstreuendem Keramikmaterial, vorzugsweise Al2O3., wobei der Keramikring durchbrochen sein kann.The heat radiation reflector can be used as a double-walled closed quartz glass ring, which is a temperature-resistant, well-scattering substance, e.g. B. TiO 2 powder, hermetically encloses, formed or as a ring made of temperature-resistant backscattering ceramic material, preferably Al 2 O 3. , The ceramic ring can be broken.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:An exemplary embodiment is described below the drawings closer explained. Show:

l einen schematisierten Ausschnitt der Vorrichtung, in dem die Induktionsheizspule mit darauf angeordnetem und mit ihr thermisch verbundenem mehrfach vertikal geschlitzten Metallring im Schnitt dargestellt ist; l a schematic section of the device, in which the induction heating coil is arranged with a thermally connected and vertically slotted metal ring with it is shown in section;

2 die Draufsicht des in 1 im Schnitt dargestellten Ausschnitts der Vorrichtung. 2 the top view of the in 1 section of the device shown in section.

Der in 1 dargestellte Ausschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt einen Metallring 2 aus Silber, der auf der Oberseite der Induktionsheizspule 1, die einen Durchmesser von 148 mm aufweist, angeordnet und thermisch mit dieser, beispielsweise durch Löten, verbunden ist. Der Metallring 2 mit einen Durchmesser von 115 mm und einer Höhe von 12 mm weist vertikale Schlitze auf, damit nur ein geringer HF-Strom über diesen fließt. Die Induktionsheizspule 1 wird über den HF-Stromanschluss 3 gespeist. Zu erkennen ist, dass der Durchmesser des Metallrings 2 deutlich größer ist als der Durchmesser des Vorratsstabteils 4, der 105 mm beträgt, und seine Höhe so groß ist, dass er den Abschmelzbereich des Halbleitermaterialstabes vollständig überdeckt. Damit ist in diesem Bereich des Halbleitermaterialstabes genau an der Abschmelzfront eine intensive Wärmezufuhr einstellbar, so dass am aufschmelzenden Ende des Stabes keine Schmelzrelikte entstehen.The in 1 illustrated section of the device according to the invention shows a metal ring 2 made of silver on the top of the induction heating coil 1 , which has a diameter of 148 mm, is arranged and thermally connected to it, for example by soldering. The metal ring 2 With a diameter of 115 mm and a height of 12 mm, it has vertical slots so that only a small amount of HF current flows over it. The induction heating coil 1 is via the RF power connector 3 fed. It can be seen that the diameter of the metal ring 2 is significantly larger than the diameter of the supply rod part 4 , which is 105 mm, and its height is so large that it completely covers the melting area of the semiconductor material rod. In this area of the semiconductor material rod, an intensive heat supply can be set precisely at the melting front, so that no melting relics occur at the melting end of the rod.

2 zeigt die Draufsicht eines schematisierten Ausschnittes der Vorrichtung, die in 1 im Schnitt entlang AA' dargestellt ist. Der Halbleitermaterialstab ist in dieser Figur der Einfachheit halber nicht gezeichnet. 2 shows the top view of a schematic section of the device shown in 1 is shown in section along AA '. The semiconductor material rod is not shown in this figure for the sake of simplicity.

Claims (5)

Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterialstäben, bei der der Stab in einem Rezipienten lotrecht angeordnet ist, eine den Stab ringförmig umgebende Induktionsheizspule, deren Innendurchmesser kleiner als der Durchmesser des abschmelzenden Vorratsstabs ist, die Schmelzzone erzeugt und oberhalb der Induktionsheizspule ein Wärmestrahlungsreflektor um Bereich der Schmelzzone angeordnet ist, der das abschmelzende Ende des Vorratsstabs konzentrisch mindestens teilweise umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmestrahlungsreflektor als mehrfach vertikal geschlitzter Metallring (2) hoher elektrischer und hoher Wärmeleitfähigkeit sowie hohem Reflexionsvermögen ausgebildet ist, wobei der Ring (2) am Induktorspalt unterbrochen ist.Device for the crucible-free zone melting of semiconductor material rods, in which the rod is arranged vertically in a recipient, an induction heating coil surrounding the rod in a ring, the inside diameter of which is smaller than the diameter of the melting supply rod, the melting zone and a heat radiation reflector arranged around the melting zone above the induction heating coil which concentrically at least partially surrounds the melting end of the supply rod, characterized in that the heat radiation reflector is a metal ring ( 2 ) high electrical and high thermal conductivity and high reflectivity, the ring ( 2 ) at the inductor gap is interrupted. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmestrahlungsreflektor als Teil der Induktionsheizspule (1) ausgebildet ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the heat radiation reflector as part of the induction heating coil ( 1 ) is trained. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallring (2), aus Silber gebildet ist.Device according to claim 1, characterized in that the metal ring ( 2 ), is made of silver. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallring (2; thermisch mit der Induktionsheizspule (1) verbunden ist.Device according to claim 1, characterized in that the metal ring ( 2 ; thermally with the induction heating coil ( 1 ) connected is. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallring (2) an beliebigen Stellen seines Umfangs zu Beobachtungszwecken unterbrochen ist.Device according to claim 1, characterized in that the metal ring ( 2 ) is interrupted at any point of its scope for observation purposes.
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