DE19617870A1

DE19617870A1 - Floating zone melting apparatus for semiconductor rod

Info

Publication number: DE19617870A1
Application number: DE1996117870
Authority: DE
Inventors: Helge Dipl Phys Dr Rer Riemann; Hansjoachim Dipl Ing Schilling
Original assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Current assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority date: 1996-04-24
Filing date: 1996-04-24
Publication date: 1997-12-11

Abstract

An apparatus for crucible-free induction zone melting of a vertical semiconductor rod in a magnetic field has high remanence, high energy density permanent magnets (2) which are arranged in the inductor (1) interior screened from the high frequency field and which are located directly above the melt. Preferably, the permanent magnets (2) are arranged asymmetrically in the inductor interior, are arranged in groups of the same or alternating pole directions, and are axially magnetised. Preferably, the permanent magnets (2) are arranged in the cooling channel of the inductor (1) and consist of a high coercive force material such as a rare earth-cobalt material. The inductor (1) preferably consists of copper or silver. An annular high frequency inductor (1) surrounds a crystal rod and has an asymmetrical arrangement of Sm2Co17 permanent magnets (2) in its cooling channel. The permanent magnets (2) have dimensions of 10 \* 20 \* 5 mm, an energy density of 215 kJ/m<3> and a remanence of 11 kG, and permit a maximum operating temperature of 300 deg C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleiterstäben unter Magnetfeldeinfluß, bei der der Stab lotrecht angeordnet ist, ein den Stab ringförmig umgebender HF-Induktor die Schmelzzone erzeugt und Mittel zur Beeinflussung des Strömungsverlaufs in der Schmelzzone angeordnet sind.The invention relates to a device for crucible-free Zone melting of semiconductor rods under the influence of magnetic fields, in which the The rod is arranged vertically, a ring surrounding the rod HF inductor creates the melting zone and means to influence the Flow course are arranged in the melting zone.

Kristalle, die nach dem FZ (floating zone)-Verfahren gezogen wurden, zeigen charakteristische Dotierungsverteilungen, die durch die Form der Erstarrungsphasengrenze und die Dicke der vor dieser liegenden Diffusionsschicht verursacht werden. Technologische Parameter wie Rotations- und Ziehgeschwindigkeit, Induktorform und evtl. auch Anwendung von Nachheizern wirken auf die o.g. Ursachen ein. Zentrale Bedeutung kommt dabei der Strömung in der Schmelze zu, die für die thermischen und Konzentrationsverhältnisse an der Phasengrenze die dominierende Rolle spielt. Durch Optimierung der Züchtungsparameter sowie der Induktorform konnte in kommerziellen Kristallzüchtungsanlagen schon eine weitgehend radiale Widerstandshomogenität erreicht werden, es treten dennoch Schwankungen in der Nähe der Kristallachse (core-Bereich) auf.Crystals grown using the FZ (floating zone) method show characteristic doping distributions by the shape of the Solidification phase limit and the thickness of the one before it Diffusion layer caused. Technological parameters like Rotation and drawing speed, inductor shape and possibly also application of post-heaters act on the above Causes one. Central meaning The flow in the melt is responsible for the thermal and Concentration ratios at the phase boundary play the dominant role plays. By optimizing the breeding parameters and the shape of the inductor has already been extensively used in commercial crystal growing systems radial resistance homogeneity can be achieved, nevertheless occur Fluctuations in the vicinity of the crystal axis (core area).

Aus Veröffentlichungen ist bekannt, daß Phasengrenzform und Widerstandsverteilung durch Einwirkung von Magnetfeldern auf die Schmelze beeinflußbar sind (s. beispielsweise Journal of Crystal Growth 76 (1986), S. 100-122, und Journal of Crystal Growth 55 (1981), S. 406-408). Hierbei wird der Effekt ausgenutzt, daß die strömende Schmelze einen im Magnetfeld bewegten elektrischen Leiter darstellt und von diesem abgebremst bzw. aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt wird. Als Folge ergeben sich andere, bisher nicht aufgetretene Strömungsverläufe, die besonders im Fall des axial zum Kristall wirkenden Magnetfeldes zur Homogenisierung des Dotierungseinbaus im core-Bereich führen. From publications it is known that phase boundary form and Resistance distribution through the action of magnetic fields on the melt can be influenced (see, for example, Journal of Crystal Growth 76 (1986), p. 100-122, and Journal of Crystal Growth 55 (1981), pp. 406-408). Here will exploited the effect that the flowing melt one in the magnetic field represents moving electrical conductor and braked by it or off is diverted from its original direction. As a result other flow patterns that have not occurred so far, particularly in the case of the magnetic field acting axially to the crystal for homogenizing the Lead doping in the core area.

Die Erfindung geht von einem Stand der Technik aus, der in Journal of Crystal Growth 76 (1986), S. 100-122, beschrieben ist. Hierbei ist in einer Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleiterstäben um den lotrecht angeordneten Kristallstab ein HF-Induktor angeordnet, der diesen ringförmig umgibt und die Schmelzzone erzeugt, sowie Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das der Beeinflussung des Strömungsverlaufs in der Schmelzzone dient. Diese technische Lösung sieht zur Erzeugung des Magnetfeldes axialsymmetrisch zur Kristallziehachse angeordnete große Magnetspulen vor. Diese Magnetspulen, die zur Erzeugung der wirksamen magnetischen Feldstärke trotz des für die Züchtung erforderlichen relativ breiten "Luftspalts" beim transversalen Feld benötigt werden, sind für Kristalldurchmesser 4′′ nicht anwendbar. Auch zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes müssen die Magnetspulen um den wachsenden Kristallstab herum angeordnet sein, was wiederum einen großen Platzbedarf im Züchtungsraum erfordert und ein hohes Verunreinigungsrisiko zur Folge hat. Außerdem konnten mit dieser Lösung noch keine gravierenden Strömungsänderungen der Schmelze festgestellt werden, da die durch die Magnetspulen erzeugten Felder relativ symmetrisch auf die Schmelze einwirken.The invention is based on a prior art, which is in Journal of Crystal Growth 76 (1986), pp. 100-122. Here is in one Device for crucible-free zone melting of semiconductor rods around the an RF inductor arranged vertically arranged crystal rod, this surrounds in a ring and creates the melting zone, and means for generating of a magnetic field that influences the flow in the Serves melting zone. This technical solution provides for the generation of the Large magnetic field arranged axially symmetrical to the crystal pulling axis Solenoids in front. These solenoids, which are used to generate the effective magnetic field strength despite the relative required for breeding wide "air gap" in the transverse field are needed for Crystal diameter 4 '' not applicable. Also to generate an axial The magnetic coils around the growing crystal rod be arranged around, which in turn requires a large amount of space in the Breeding room requires and has a high risk of contamination. In addition, this solution could not yet be used to solve serious problems Changes in the flow of the melt can be determined as a result of the Magnetic coils generated fields relatively symmetrically on the melt act.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleiterstäben unter Magnetfeldeinfluß anzugeben, in der auch bei kleinen Abmessungen wirksame Magnetfelder erzeugt werden können und Verunreinigungen vermieden werden, mit der auch Kristallstäbe mit einem Durchmesser <4′′ bearbeitet werden können.It is therefore an object of the invention to provide a crucible-free device Zone melting of semiconductor rods under the influence of magnetic fields, in effective magnetic fields are generated even with small dimensions can and contamination can be avoided with the also crystal rods can be processed with a diameter <4 ''.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß im vom HF-Feld abgeschirmten Innenraum des Induktors Permanentmagnete mit hoher Remanenz und hoher Energiedichte angeordnet sind und sich somit die Permanentmagnete unmittelbar über der Schmelze befinden.The object is achieved in that the device at the beginning mentioned type according to the invention in the interior shielded from the RF field of the inductor permanent magnets with high remanence and high Energy density are arranged and thus the permanent magnets immediately above the melt.

Das Anordnen von Permanentmagneten im Inneren des HF-Induktors, wodurch sowohl kein zusätzlicher Platzbedarf in der Züchtungsvorrichtung beansprucht wird, als auch Verunreinigungen vermieden werden, gewährleistet durch definierte Feldstärke und räumliche Nähe zum Kristallstab einen Einfluß auf die Strömung der Schmelze. The placement of permanent magnets inside the RF inductor, whereby both no additional space requirement in the breeding device is claimed, as well as contamination are avoided, guaranteed by defined field strength and spatial proximity to the Crystal rod has an influence on the flow of the melt.

Ausführungsformen der Erfindung betreffen die Gestaltung und Anordnung der Permanentmagnete im HF-freien Innenraum des Induktors. So ist vorgesehen, daßEmbodiments of the invention relate to the design and arrangement the permanent magnets in the HF-free interior of the inductor. So is provided that

- The permanent magnets in the interior of the HF inductor asymmetrical are arranged
- The permanent magnets in the interior of the RF inductor in groups are arranged in the same direction or alternately poled,
- The permanent magnets are axially magnetized, d. H. Field direction and Crystal axes run parallel.

Diese Ausführungsformen gewährleisten durch starke Asymmetrie der magnetischen Feldwirkung, daß die Strömung der Schmelze aus ihrer vorher achssymmetrischen Lage gedrängt wird und damit "ruhige" Zonen in Achsnähe verhindert werden.These embodiments ensure strong asymmetry of the magnetic field effect that the flow of the melt from its previously Axially symmetrical position is pushed and thus "quiet" zones in Axis proximity can be prevented.

Besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, die Permanentmagnete im Kühlkanal des HF-Induktors anzuordnen, um so die maximal zulässige Temperatur für den Betrieb der Permanentmagnete nicht zu überschreiten.The permanent magnets in the cooling channel have proven to be particularly advantageous of the HF inductor to arrange the maximum permissible temperature for not to exceed the operation of the permanent magnets.

Der HF-Induktor ist in weiteren Ausführungsformen aus Kupfer (Cu) oder Silber (Ag) gebildet, die Permanentmagnete sind aus hochkoerzitiven Materialien wie Seltene-Erden-Kobaltwerkstoffe, beispielsweise Sm₂Co₁₇, gebildet, die neben hoher Energiedichte und Koerzitiv-Feldstärke besonders sowohl hohe Einsatztemperaturen zum Betrieb als auch bei der Induktorherstellung gewährleisten.In further embodiments, the HF inductor is made of copper (Cu) or Silver (Ag) formed, the permanent magnets are made of highly coercive Materials such as rare earth cobalt materials, for example Sm₂Co₁₇, formed, which in addition to high energy density and coercive field strength both high operating temperatures for operation and at Ensure inductor manufacture.

Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die sehr platzsparend ausgebildet ist und keine zusätzlichen Verunreinigungen während des Züchtungsprozesses nach sich zieht, wird eine starke Asymmetrie der magnetischen Feldwirkung erzielt. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es auch möglich, Kristallstäbe mit einem Durchmesser <4′′ zu züchten.By means of the device according to the invention, which is very space-saving is formed and no additional contamination during the Breeding process entails a strong asymmetry of achieved magnetic field effect. With the device according to the invention it is also possible to grow crystal rods with a diameter <4 ''.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert.An exemplary embodiment is described in more detail below with reference to the drawings explained.

Dabei zeigen: Show:

Fig. 1 schematisch eine Draufsicht auf einen Permanentmagnete enthaltenden HF-Induktor; Fig. 1 shows schematically a plan view of a containing permanent magnets RF inductor;

Fig. 2 schematisch ein Schnittbild des in Fig. 1 dargestellten HF-Induktors entlang AA′. Fig. 2 shows schematically a sectional view of the RF inductor shown in Fig. 1 along AA '.

In Fig. 1 ist schematisch ein HF-Induktor 1 dargestellt, der den Kristallstab ringförmig umgibt und asymmetrisch zur Kristallachse im Kühlkanal 3 (in dieser Figur nicht dargestellt) des HF-Induktors 1 angeordnete Permanentmagnete 2 aus Sm₂Co₁₇ enthält. Die Permanentmagnete 2 haben die Abmessungen 10 mm×20 mm×5 mm und weisen eine Energiedichte von 215 kJ/m³ und eine Remanenz von 11 kG auf und erlauben eine maximale Betriebstemperatur von 300°C.In Fig. 1, an RF inductor 1 is shown schematically which surrounds the crystal rod ring-shaped and asymmetrically (not shown in this figure) to the crystal axis in the cooling channel 3 of the RF inductor 1 are arranged permanent magnets 2 from Sm₂Co₁₇ contains. The permanent magnets 2 have the dimensions 10 mm × 20 mm × 5 mm and have an energy density of 215 kJ / m³ and a remanence of 11 kG and allow a maximum operating temperature of 300 ° C.

Fig. 2 gibt das entsprechende Schnittbild des HF-Induktors 1 entlang AA′ wieder. Deutlich ist zu erkennen, daß die erfindungsgemäße Lösung sehr platzsparend ist. Da die Permanentmagnete 2 asymmetrisch angeordnet sind, wird auch eine asymmetrische Wirkung des Magnetfeldes auf die Schmelze und somit Strömungsänderungen derselben erreicht. Fig. 2 shows the corresponding sectional view of the RF inductor 1 along AA 'again. It can be clearly seen that the solution according to the invention is very space-saving. Since the permanent magnets 2 are arranged asymmetrically, an asymmetrical effect of the magnetic field on the melt and thus changes in flow thereof are also achieved.

Claims

1. Device for crucible-free zone melting of semiconductor rods under the influence of a magnetic field, in which the rod is arranged vertically, an HF inductor which surrounds the rod in an annular manner generates the melting zone and means for influencing the flow pattern are arranged in the melting zone, characterized in that the HF- Field shielded interior of the inductor ( 1 ) permanent magnets ( 2 ) with high remanence and high energy density are arranged and thus the permanent magnets ( 2 ) are located directly above the melt.

2. Device according to claim 1, characterized in that the permanent magnets ( 2 ) in the interior of the RF inductor ( 1 ) are arranged asymmetrically.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the permanent magnets ( 2 ) in the interior of the RF inductor ( 1 ) are arranged in groups in the same direction or alternately poled.

4. The device according to claim 1, characterized in that the permanent magnets ( 2 ) are axially magnetized.

5. The device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the permanent magnets ( 2 ) in the cooling channel ( 3 ) of the RF inductor ( 1 ) are arranged.

6. The device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the permanent magnets ( 2 ) are formed from highly coercive materials such as rare earth cobalt materials.

7. The device according to claim 1, characterized in that the RF inductor ( 1 ) is formed from copper (Cu).

8. The device according to claim 1, characterized in that the RF inductor ( 1 ) is formed from silver (Ag).