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Verfahren zur Beeinflussung des radialen Widerstandaverlaufe In einem
Halbeitereinkristallstab beim tiegelfreien Zonenschmelzen Die vorliegende Erfindung
betriff-t ein Verfahren zur Beeirflussung des radialen Widerstandsverlaufs in einem
Halbleitereinkristallstab beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines senkrecht an seinen
Enden gehalterten Halbleiterstabes mit einer den Stab ringförmig umschließenden.
die Schmelzzone erzeugenden, induktiven Heizeinrichtung, bei dem von einem Keimkristall
ausgehend die Schmelze in Richtung der Stabachse eines Vorratsstabteils durch den
Halbleiterkristallstab bewegt wird.
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Es ist bekannt. Einkristallstäbe durch tiegelfreies Zonenschmelzen
herzusteien. indem mit Hilfe von Keimkristallen polykristalline halbleiteratäbe.
insbesondere Siliciumstäbe, dadurch in Einkristalle übergeführt werden. daß man
eine Schmelzzone von dem nde an dem der Keimkristall angesetzt ist, zu dem anderen
Ende des Haibleiterstabes (Verratssta.bes) wandern läßt. Der Halbleiterstah wird
hierbei meist senkrecht stehend in zwei Halterungen eingespannt. wobei die eine
Halterung während des Zonenschmelzens in Rotation um die Stabachse versetzt wird,
so daß ein symmetrisches Aufwachsen des erstarrenden Materials gewährleistet ist.
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Im allgemeinen ist es wünschenswert, Einkristallstäbe für die Fertigung
von Hs?bieiterbauelementen herzustellen, weiche in bezug auf ihren radialen Widerstandsverlauf
sehr gleichmäßige Werte aufweisen. d.h., bei der Herstellung dieser Kristallstäbe
wird eine sehr gute Durchmischung der Schmelze während des
tiegelfreien
Zonenschmelzens angestrebt, damit der Dotierstoff überall gleichmäßig in das Kristallgitter
eingebaut wird.
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Für die Herstellung von Halbleitermaterial für die Fertigung von speziellen
Halbleiterbauelementen, z. B. von über Kopf zündbaren Thyristoren, wird ein Halbleitergrundmaterial
verwendet, welches verzugsweise aus (111)-orientierten Siliciumkristallscheiben
besteht, die in der Mitte der Kristallscheibe einen Einbruch des elektrischen spezifischen
Widerstandes aufweisen.
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Aus der Zeitschrift "Die elektrische Ausrüstung 1 Nr. 1 vom 14. 2.
1969, Seite 3 bis 6 ist aus einen Aufsatz von A. Mühlbauer über die Badbewegung
im mehrphasig erregten Induktions-Tiegelofen bekannt, daß die einphasig betriebene,
r.t Strömen höherer Frequenz gespeiste Wicklung der Erwärmung, die wehrphasige,
mit niedriger frequenten Strömen versorgte, ausschließlich der Durchmischung des
schmelzflüssigen Tiegelinhaltes dient. Dabei kann die Badbewegung hne nennenswerte
Temperaturerhöhung der Schmelze gesteigert werden. Dieses Verfahren wird mit Erfolg
bei der Entgasung von Metallschmelzen unter Vakuum ausgenutzt.
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Aus der "Rundschau, Elek-trowärme", Band 21, r. b, Juni 1963, Seite
3o1 und 302, sind Induktionsöfen zum Schmelzen und Gießen von Nickel- und Kobaltlegierungen
im Hochvakuum bekannt, bei denen die Badbewegung in der Schmelze und damit der Vergang
des Entgasens durch ein Doppelfrequenz-System gesteigert wird.
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Mit dem Doppelfrequenz-Syatem gelingt es, eine Bsadbewezu^ ohne gleichzeitige
Temperaturerhöhung zu erreichen. Dabei wird die ZUm Warmhalten erforderliche Energie
während der Umrührung des Bades von einem Mittelfrequenz-Generator geliefert und
die Badbewegung mit mehrphasigem niederfrequenten Strom unterstützt. Durch die gute
Durchmischung der Schmelze wird eine
effektive Entgasung innerhalb
weniger Tilinuten erreicht und man erhält ein sehr homogenes Material.
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Die vorliegende Erfindung macht sich diese Erkennt.nis zunutze, indem
sie eine Möglichkeit schafft, nicht nur homogene Dotierstoffverteilungen in Halbleitereinkristallst2ben
beim tiegelfreien Zsnenschmelzen herzustellen, sondern auch solche Einkristallstäbe
durch tiegelfreies Zonenschmelzen herstel3t, bei denen in der Mitte des konzentrisch
gezogenen Stabes ein räumlich-eingeengter, einstellbarer Widerstandseinbruch erzeugt
wird.
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Dies geschieht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, daß während
des Zonenschmelzens mittels axial-gerichteter elektromagnetischer Wanderfelder eine
Beeinflussung der natürlichen Konvektionsströmung in der Schmelze herbeiaeführt
wird. Durch die Lehre der Erfindung wird also durch die Anwendung axialer elektromagnetischer
Wanderfelder eine Tinterdrückung der durch starke Tetnperaturunterschiede bewirkten
natürlichen Konvektion der Schmelze erreicht, wodurch beim Ziehen von unten nach
oben eine Stauung des Dotierstoffes vor dem Zentrum des wachsenden Einkristalis
(Schmelze) verhindert wird oder aber, es wird durch die Richtung des Wanderfledes
die natürliche K--nvektion der Schmelze unterstützt und damit eine stärkere D@tierstoffkonzentration
in der Stabmitte erzielt, was zu einem stärkeren Einbruch des spezifischen Widerstandes
in der Mitte des fertigen Einkristallstabes führt.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß zur Frzeugung der elektromagnetischen
Wanderfelder eine mehrphasige Spulenanordnung verwendet wird.
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Gemäß einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel nach der Lehre
der Erfindung wird eine Spulenanordnung mit zwei Spulen mit jeweils zwei Wicklungshälften
verwendet, wobei die Wicklungshälften der Spulen alternierend angeordnet sind.
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Das Prinzip dieses Ausführungsbeispiels soll durch das in der Zeichnung
dargestellte Schaubild noch näher erläutert werden. Im gezeichneten Beispiel läuft
bei zweiphasiger Speisung die erregte Ferdwelle von oben nach unten und legt im
Zeitraum t4-t1 die Strecke 3/4# zurück. Es gilt vw=#.@.
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d.h., die Wanderungsgeschwindigkeit der Welle vw wird bei festgelegter
Wellenlänge # durch die Frequenz f bestimmt.
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Durch die von oben nach unten laufende Feldwelle in der Siliciumschmelze
gleichsinnig gerichtete Strömungen ausgelöst, welche die näturliche Konvektion zu
beeinflussen gestatten.
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Tn der Figur ist mit dem Bezugszeichen 1o der für das t: freie Zonenschmelzen
verwendete polykristalline Vorratsstabteil bezeichnet, welcher über die Schmelze
11 mit den rekristallisierten Stabteil 12 verbunden ist. Die Bezugszeichen 1. 2,
3 und 4 sind den alternierend angeordneten Wicklungshälften der zu einer Spulenanordnung
gehörenden zwei Spulen zuzordnen: R und 5 sind die Phasen, die den vier Teilen bzw.
Wicklungen der Spulenanordnung zugeordnet werden. die im Bereich der Schmelze 11
eingezeichneten Pfeile 5 zeigen den Verlauf der natürlichen Konvektionströmung an,
während durch die gegensinnig verlaufenden Pfeile 6 die in der Schmelze vom elektromagnetischen
Wanderfeld herrührende Strömung bezeichnet werden soll (gestrichelt gezeichnet).
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Damit die von einer Mehrphasenanordnung in der Schmelze erzeugte Axialkraftdichte
eine Durchmischung der Schmelze bewirken
kann, muß sie radial ungleichmäßig
verteilt sein. Am Rande der Schmelze muß die Axialkraftdichte sm größten sein, zur
Achse hin aber stark abfallen. Dies wird erreicht durch eine geeignete Dämpfung
des eindringenden Feldes. Die Findringtiefe des Feldes wird bestimmt durch
teilt dem spezifischen Widerstand von fl-issigem Silicium von
errechnet sich für die technische Frequenz von i kHz und 100 kHz die Eindringtiefe
zu
Diese Eindringtiefen führen bei Schmelzradien größer 10 mm zu Kennwerten, mit welchen
man zu "vernünftigen" radialen Kraftdichteverteilungen gelangt. Daraus folgt, daß
die Frequenz des Erregerstromes in der Spulenanordnung (Rührwicklung) nach der Lehre
der Erfindung im Bereich von 5 bis lno kHz betrieben erden kann, ohne daß dadurch
die Schmelze unzulässig erwärmt wird.
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Die Erregerwicklung kann auch dreiphasig ausgebildet sein.
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In jedem Fall wird durch die Wahl der Wellenlänge #, der Frequenz
f und des Erregerstromes I die Intensität der Strömung in der Schmelze beeinflußt.
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Durch entsprechende Einspeisung des Stromes kann das Erregerfeld auch
von unten nach oben wandern und eine von unten nach oben gerichtete Strömung auslösen.
Dadurch wird ein stärkerer Anbruch des spezifischen Widerstandes in der Stabmitte
(Dotierstoffstau) bewirkt. Das so gefertigte Material wird,wie eingangs schon erwähnt,
als Grundmaterial zur Herstellung iiber Kopf ziindbarer Thyristoren verwendet.
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Mit dem Verfahren bzw. der Vorrichtung nach der Lehre der Erfindung
kann bei einem Siliciumkristall mit einem spezifischen Widerstand v-n 60 bis 70
Ohm.cm ein #-Einbruch in der Stabmitte von 50 bis 60 % erwartet werden.
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Die Rührwicklung oder Erregerwicklung kann gemäß der Lehre der Erfindung
auch als Drehfeldwicklung mit axialer Komponente ausgebildet sein. Dies würde zur
Rntation der zur Stabachse symmetrischen Schmelze führen und sie gleichzeitig axial
bewegen. So könnte eine weitere Vergleichmäßigung der D@tierstoffverteilung an der
wachsenden Phasengrenze durch das zweidimensionale Rühren erreicht werden.
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Es ist aber ebenso möglich, eine Spulenanordnung zu verwenden, bei
der die Erregerwicklung entweder als Zylinderwicklung oder auch als Wicklung mit
ausgeprägten Polen ausgebildet ist. Hierbei soll die frequenz der Stromversorgung
vorzugsweise 10 kHz betragen.
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1 Figur 8 Patentansprüche