DE2051703A1

DE2051703A1 - Verfahren zum Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes, insbesondere aus Silicium

Info

Publication number: DE2051703A1
Application number: DE19702051703
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. 8551 Pretzfeld Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-10-21
Filing date: 1970-10-21
Publication date: 1972-04-27
Also published as: BE774263A; FR2111522A5; NL7111934A; GB1319431A

Description

21.0K! 1970

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München ?,

Wittelsbacherplatz ? Berlin und München

^VPA 70/1191

fft-tf./im

Verfahren zum/Zonenschmelzen eines kristallinen Stabee, insbesondere aus Silicium

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzielung eines gleichmäßigen, radialen Widerstandsverlaufs beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines lotrecht an seinen Enden eingespannten kristallinen Stabes, insbesondere aus Silicium, wobei die Halterungen für den Keimkristall und den Vorratsetab in Richtung der Stabachse bewegt und um die Stabachse in Rotation versetzt werden und bei dem die Schmelzzone mit einer den Stab ringförmig umgebenden Induktionsheizspule erzeugt wird.

Bs ist bekannt, mit Hilfe von Keimkristallen polykristalline Siliciurastäbe in Einkristalle zu verwandeln, indee man eine Schaelzzone von dem Ende, an dem der Keimkristall angesetzt ist, zu dem anderen Ende des Siliciumstabes (Vorratsetabes) wandern läßt. Der Siliciumetab wird hierbei meist senkrecht stehend in zwei Halterungen eingespannt, wobei die eine Halterung während des Zonenschmelzen in Rotation um die Stabachse versetzt wird, so daß ein symmetrisches Aufwachsen des erstarrenden Materials gewährleistet wird.

Einkristalle, die in dieser Weise durch das konzentrische tiegelfreie Zonenschmelzen hergestellt worden sind, zeigen infolge einer mangelhaften Durchraischung der Schmelze «eist keinen gleichmäßigen, radialen Widerstandsverlauf, wie er für die Herstellung von Halbleiterbauelementen wünschenswert wäre.

VPA 9/11o/-oo7 Ed t/Au

209818/0982

Eine gewisse Verbesserung in der Durclmischung der Schmelze und damit in radialen Widerstandeverlauf des wiedererstarrenden Stabteils bringt das in dea deutschen Patent 1 218 4o4 beschriebene exzentrische tiegelfreie Zonenschmelzen, bei dem die sich drehende Halterung des wiedererstarrenden Stabteils relativ zur Heizeinrichtung, also zur Induktionsheizspule, seitlich verschoben wird.

Es wurde nun gefunden, daß der vorstehend beschriebene Vorteil einer guten Durchinischung der Schmelzzone und damit eines gleichmäßigeren Widerstandaverlaufs über den Stabfc querschnitt in erhöhtem Maße auch auf einem anderen Weg erzielt werden kann.

Es wird deshalb erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Rotation mindestens einer der beiden Stabhalterungen mit einer ungleichförmigen und ständigen periodischen Änderung beaufschlagt wird*

Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß im Gegensatz zum einfachen konzentrischen tiegelfreien Zonenziehen eine viel bessere Durchmischung der Schmelze stattfindet, welche eine homogenere Verteilung der Dotierungestoffe auf das Schmelzvolumen bewirkt. Außerdem kann die beim exzentrischen tiegex-ψ freien Zonenschmelzen, welches nahezu die gleichen Ergebnisse wie das Verfahren nach der Lehre der Erfindung erzielt, verwendete Mechanik für die Exzentrlk entfallen.

Gemäß einem besonders günstigen AusfUhrungnbeispiel nach der Lehre der Erfindung wird die Rotation der den Keinkrietal1 tragenden Halterung von einem Wert Null bis auf einen Endwert beschleunigt, danach bis auf Null abgebremst und dieser forgang periodisch wiederholt.

VPA 9/11p/1oo7

209818/0882

BAD ORSGlNAL

Es iat aber ebenso «öglich, in umgekehrter Weiae zu verfahren und die Rotation der den Vorrataatab tragenden Halterung von eines Wert Null bis zu einem Endwert zu beschleunigen, danach bis auf Null abzubremsen und diesen Vorgang periodisch zu wiederholen.

Es liegt auch in Rahmen der Erfindung, die Rotation der den Keimkristall tragenden Halterung normal und gleichförmig durchzuführen und die Rotation der den Vorratsstab tragenden Halterung von einem Wert Null bis auf einen Endwert zu beschleunigen, danach bis auf Null abzubremaen und diesen Vorgang periodisch zu wiederholen oder die Rotation der den Vorratestab tragenden Halterung normal und gleichförmig durchzuführen und die Rotation der den Keimkristall tragenden Halterung von einen Wert Hull bis auf einen Endwert zu beschleunigen, danach bis auf Null zu bremsen und diesen Vorgang periodisch zu wiederholen.

Außerdem let auch vorgesehen, daß sowohl die Rotation der den Keimkristall tragenden Halterung als auch die Rotation der den Vorratβetab tragenden Halterung von einem Wert Null bis auf einen Endwert beschleunigt wird, danach bis auf Null gebremst und dieser Vorgang periodisch wiederholt wird.

Gemäß einem anderen Ausführungebeispiel nach der Lehre der Erfindung wird entweder die Rotation der den Keimkristall tragenden Halterung oder die Rotation der den Vorratsetab tragenden Halterung so durchgeführt, daß die Rotation3geschwindigkeit etändig periodisch verändert wird.

E* ist aber ebenso möglich, daß die Rotation der den Keimkristall sowie auch die Rotation der den Vorratsetab tragenden Halterung so durchgeführt wird, daß die beiden Kotationsgeachwindigkeiten ständig verändnt

VPA 9'110/1007 - 4 -

209818/0382

BAD ORIGINAL

Hit frO0em Vorteil kann das Verfahren nach der Lehre der Erfindung auch alt den in den deutschen Patentschriften 1 218 404 und 1 263 696 beschriebenen Verfahren gekoppelt werden, bei denen die eich drehende, den Keimkristall oder den Vorrateetab tragende Halterung relativ zur Induktionsheizspule (Heizeinrichtung) seitlich verschoben wird. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß noch tin zusätzlicher Durchoisohungseffekt der Schmelze neben einer Verbesserung der Kristallqualität an den so gefertigten Halbleiterstäben auftritt.

Die Durchführung des erfindungsgemäSen Verfahrens erfolgt in einer, in der Figur abgebildeten, für vertikales tiegelfreies Zonenziehen geeigneten Apparatur.

In der Figur ist ein Rezlpient KLt 1 bezeichnet. Ib Deckel und in Boden des Rezip!enten 1 ist je eine Simmeringdichtung 2 und 3 vorgesehen, die eine vakuumdichte Durchführung der Antriebswellen 4 und 5 für den kristallinen Stab 6 bzw. 18 sichereteilen. Der kristalline Stab 6 bzw. 18, insbesondere ein Halbleiteretab, beispielsweise aus Silicium, ist in Halterungen 7 und 8 gehaltert. Die Halterungen 7 und 8 können in Richtung der Stabaehae bewegt und um ihre Achse gedreht werden. Die Schmelzzone wird von einer Induktionsheisspule 10, vorzugsweise einer Ringspule mit einer Windung, erzeugt. Die Induktionsheizspule 10 kann ortsfest und durch eine Seitenwand des Rezipienten vakuumdicht hindurohgefUhrt sein. Die Halterung 11 der Induktionsheizspule 10 kann als koaxiale Halterung ausgebildet sein, die sowohl zur Zuführung des Stroms als auch des Kühlmittels, vorzugsweise Wassers, dient. An der gegenüberliegenden Seitenwand des Rezipienten 1 ist ein Schaufenster 12 angeordnet. Der ZonenziehprozeB IqSt sich sowohl im Vakuum als auch in Schutzgasatmosphäre durchführen. Das Schutzgas gelangt aus

VPA 9/11o/1oo7 - 5 -

209818/0812

einem Vorratsbehälter 13 über ein Leitungssystem 14 in den Sezipienten 1. Im Leitungssystem 14 befindet sich ein Reduzierventil 1£, ein Absperrventil 16 sowie ein Druck- ~ «eeaer 17.

Der Durchmesser des in die Halterung 7 eingespannten Vorratsstabes 16 beträgt 34 tau, der des herzustellenden Einkristalle tabes 6 beträgt ebenfalls 34 mm. Der Keimkristall 19 und damit auch der aus der Schmelze 9 wiedererstarrende Stabteil 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel konzentrisch zur Heizeinrichtung (Induktionsheizspule 10) angeordnet.

Zur Erzielung der ungleichförmigen Rotation wird der in der Abbildung nicht dargestellte Drehmotor für die Antriebswelle 5 mit einem sinusförmigen Strom angesteuert. Dadurch erfolgt ein Riohtungaweohsel von ca. 20 Mal pro Minute, d.h. an eine volle Drehung rechts herum achließt sich eine volle Drehung links herum an. Die Antriebswelle 4 befindet sich in Ruhestellung.

Die erzielte radiale Wideratandavariation liegt dann im ganzen Einkristallstab bei 20 %. Der Einkristallatab weist keine Versetzungen auf«

Bei Verwendung einer zusätzlichen Exzentrik (seitliche Verschiebung der Stabhälterung) läßt sich eine radiale Widerstandvariation im ganzen Einkristallstab von 10 % erzielen.

12 Patentansprüche 1 Figur

TPA 9/11 o/l oo7 - 6 -

209818/0812

Claims

Patentanaprüche

Verfahren zur Erzielung eines gleichmäßigen radialen Widerstandsverlaufs beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines lotrecht an seinen Enden eingespannten kristallinen Stabes, insbesondere aus Silicium, wobei die Halterungen für den Keimkristall und den Vorratsstab in Richtung der Stabachse bewegt und um die Stabachse in Rotation versetzt werden und bei dem die Schmelzzone mit einer den Stab ringförmig umgebenden Induktionsheizspule erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation mindestens einer der beiden Stabhalterungen mit einer ungleichförmigen und ständig periodischen Änderung beaufschlagt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation der den Keimkristall tragenden Halterung von einem Wert Null bis auf einen Endwert beschleunigt wird, danach bis auf Null abgebremst und dieser Vorgang periodisch wiederholt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation der den Vorratsstab tragenden Halterung von einem Wert Null bis auf einen Bndwert beschleunigt wird, danach bis auf Null abgebremst und dieser Vorgang periodisch wiederholt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation der den Keimkristall tragenden Halterung normal und gleichförmig durchgeführt wird und die Rotation der den Vorratsstab tragenden Halterung von einem Wert Null bis auf einen Sndwert beschleunigt wird, danach bis auf Null abgebremst und dieser Vorgang periodisch wiederholt wird.

VPA 9/11o/1oo7 - 7 -

39810/OM2
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dip Rotation der den Vorratsstab tragenden Halterung normal und gleichförmig durchgeführt wird und die Rotation der den Keimkristall tragenden Halterung von einem Wert Null bis auf einen Endwert beschleunigt wird, danach bis auf Null abgebremst und dieser Vorgang periodisch wiederholt, wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Rotation der den Keimkristall tragenden Halterung als auch die Rotation der den Vorratsstab tragenden Halterung von einem Wert Null bis auf einen Endwert beschleunigt wird, danach bis auf Null abgebremst und dieser Vorgang periodisch wiederholt wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation der den Keimkristall tragenden Halterung so durchgeführt wird, daß die Rotationsgeschwindigkeit ständig periodisch verändert wird.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation der den Vorratsstab tragenden Halterung so durchgeführt wird, daß die Rotationsgeschwindigkeit periodisch verändert wird.
9· Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation der den Keiakristall sowie den Vorratsstab tragenden Halterung so durchgeführt wird, daß die Rotationsgeschwindigkeit ständig verändert wird.

VPA 9/11o/1oo7 - 8 -

209818/0882
10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die sich drehende, den Keimkristall tragende Halterung relativ zur Induktionsheizspule seitlich verschoben wird.
11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die sich drehende, den Vorratsstab tragende Halterung relativ zur Induktionsheizspule seitlich verschoben wird.
12. Einkristalliner Halbleiterstab aus Silicium, hergestellt

nach einem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 1

VPA 9/11o/1oo7

209818/0882