DE2224685A1

DE2224685A1 - Vorrichtung zum tiegelfreien zonenschmelzen eines stabfoermigen koerpers aus kristallinem material, insbesondere aus halbleitermaterial

Info

Publication number: DE2224685A1
Application number: DE19722224685
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-05-19
Filing date: 1972-05-19
Publication date: 1973-11-29
Also published as: GB1358817A; FR2184582A1; NL7306998A; BE799753A; JPS4942505A; FR2184582B1; IT987446B

Description

SIEFiENS AKTIMGESELLSCIiAU¹T München 2, 1ä MA! 1972

Berlin und München Witteisbacherplatz 2

■ . ToA 72/1077

Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines stabförmigen Körpers aus kristallinem Material, insbesondere aus Halbleitermaterial

Die vorliegende Erfindung bezieht, sich auf e'ine Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines stabförmigen Körpers aus kristallinem Material, insbesondere aus Halbleitermaterial, mit Halterungen, in denen die beiden Enden des stabförmigen Körpers eingespannt sind, mit einer den Stab ringförmigen umgebenden, als Flachspule ausgebildeten, die Schmelzzone erzeugenden Induktionsheizspule und mit mindestens einer zusätzlichen, den Stab ringförmig umgebenden Heizeinrichtung.

Es ist bereits bekannt, bei Vorrichtungen zum tiegelfreien Zonenschmelzen zusätzlich zu.den die Schmelzzone erzeugenden Heizeinrichtungen weitere Heizeinrichtungen zum Vorbzw. ITachbelieizen des festen behanüelten Materials vorzusehen. Derartige Zusatzheizeinrichtungen dienen dazu, den Tenperaturgradienten in dem festen Halbleitermaterial von der Schmelzzone zu den Stabenden hin möglichst flach und gleichmäßig verlaufen zu lassen, wodurch die Kristallqualität gefördert wird. Als Zusatzheizeinrichtungen wie für die Heizeinrichtung zum Schmelzen des Stabteils, der die Schmelzzone bildet, sind Induktionsheizspulen bekannt. Eine induktive Uachheiseinrichtung vergrößert aber z. B. bei Halbleiterstäben infolge des negativen Temperaturkoeffizienten noch die radialen und axialen Temperaturdifferenzen. Besonders bei Stäben großen Querschnitts kann die Kristallqualität damit nicht entscheidend verbessert werden.

Aus der deutschen Patentschrift 1 275 996 ist nun eine Vor-

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richtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines Halbleiterkristallstabes bekannt, durch welche der Nachheizeffekt dadurch günstiger beeinflußt wird, daß eine zweite Heizeinrichtung neben der Induktionsheizspule angeordnet ist, welche aus einem den stabförmigen Körper umschließenden Strahlungsheizring besteht. Dieser Strahlungsheizring befindet sich auf einer Temperatur, die mindestens gleich der Schmelztemperatur des behandelten Materials ist, aber um höchstens so viel darüber liegt, daß die Schmelzzone nicht in den vom Strahlungsheizring umschlossenen Bereich hineinreicht. Der Strahlungsheizring ist in Form eines Hohlzylinders ausgebildet, dessen Höhe gleich der Länge der Schmelzzone ist. Er besteht aus Graphit und wird zusätzlich beheizt} -sein Innendurchmesser ist doppelt so groß v/ie der Durchmesser des stabförraigen Körpers.

Durch die eben beschriebene Vorrichtung können die Versetzungen im Kristall weitgehend vermindert und die Dotierungsstoffverteilung über die Stablänge und den Stabquerschnitt vergleich mäßigt werden.

Eine Abänderung dieser Vorrichtung wird in der deutschen Auslegeschrift 1 519 889 beschrieben, die dem gleichen Zweck dient und bei der der Strahlungsheizring mit einer pyrolytisch aufgebrachten Hartkohleschicht überzogen ist.

Eine weitere erhebliche Verbesserung gegenüber den bekannten' Vorrichtungen in Bezug auf Versetzungsfreiheit und Dotierstoffverteilung kann, insbesondere bei Kristallstäben mit Durchmessern größer als 25 mm, durch die Vorrichtung nach der Erfindung erzielt werden. Außerdem kann eine besondere Art von Kristallbaufehlern, nämlich die sogenannten swirls, im versetzungsfreien Halbleiterkristall, insbesondere im Siliciumkristall, durch die erfindungsgemäße Vorrichtung beseitigt

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werden. Die "swirls" sind Leerstellennester (Flachpit-Hester) im versetzungsfreien Kristall, welche die Eigenschaft von aus .Riesen Kristallen gefertigten Bauelementen erheblich verschlechtern können, da sie RekombinationsZentren mit sich selbst oder durch Anlagerung mit vorhandenen Verunreinigungen bilden. Diese "swirls" werden repräsentiert durch spiralige oder wolkige 'Anhäufungen von flachen Ätzgrübchen und haben daher ihren Iiamen.

Die Vorrichtung nach der Lehre der Erfindung ist gegenüber den bekannten Vorrichtungen dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Heizeinrichtung aus mindestens einem, in unmittelbarer Nähe der Induktionsheizspule angebrachten, mit dieser axial verschiebbaren und durch sie beheizbaren Graphitring besteht und daß der Graphitring einen Innendurchmesser aufweist, der dem Stabdurchmesser angepaßt ist.

Dadurch wird eine ganz eindeutige Beeinflussung der Temperaturgradienten im wachsenden Einkristall erzielt. Es treten fast keine Y/ärme spannung en mehr auf, welche meist die Ursache für das Auftreten von Kristallversetzungen sind. Durch die Vorrichtung nach der Lehre der Erfindung wird eine scheinbare Verdickung des wachsenden Stabes erzielt und damit eine Abflachung der Isothermen im Einkristall erreicht.

Es liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung, daß die zusätzliche Heizeinrichtung so angebracht ist, daß sie den aus der Schmelze auskristallisierenden Teil des stabförmigen Körpers nachbeheizt. Es ist aber ebenso möglich, auch zusätzlich oder ausschließlich den der Schmelzzone zugeführten Stabteil vorzubeheizen. Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn mit großen Ziehgeschwindigkeiten gearbeitet werden muß.

Gemäß einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung wird je ein Graphitring oberhalb und

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unterhalb der Induktionsheizspule angeordnet.

Zweckmäßigerweise weist der Graphitring einen um maximal 20$ größeren Innendurchmesser auf als der Stab. In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, Graphitringe zu verwenden, deren axiale Höhe a im Vergleich mit der Höhe h der Schmelzzone groß ist. Durch die Einhaltung der Bedingung a "> h wird eine weitere Verbesserung in Bezug auf die Kristallqualität des zonengeochmclzenen Stabes erreicht.

Es hat sich auch als sehr zweckmä-ßig erwiesen, wenn die Wandstärke des Graphitringes an dem der Induktionsheizspule zugewandten Ende abnimmt.

Eine weitere Möglichkeit ist dadurch gegeben, daß der Graphitring auf seiner der Induktionsheizspule zugewandten Stirnseite nach der Spulenmitte hin konvex gekrümmt ist. Durch diese spezielle Formgebung des Graphitringes wird die Abstrahlung in günstiger V/eise beeinflußt.

Es liegt im Rahmen der vorlegenden Erfindung, eine Induktionsheizspule zu verwenden, welche aus einer ein- oder mehrwindigen Flachspule besteht. Diese kann in einer zur Stabachse senkrechten Ebene einen langgestreckten Querschnitt aufweisen (Lochpfannkuchenspule). Mittels einer solchen Spule können Überschläge beim Ziehen in Schutzgasatmosphäre sicher verhindert werden.

Es ist weiterhin bei der Vorrichtung nach der Lehre der Erfindung vorgesehen, daß der oder die Graphitringe in Bezug auf die Induktionsheizspule verschiebbar ausgebildet sind. Dadurch lassen sich, abgesehen davon, daß die Graphitringe der Schmelzzone sehr nahe benachbart sein sollen, noch beliebige 'Temperaturprofile in den der Schmelzzone benachbarten Bereichen ein-

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stellen.

Durch die Vorrichtung nach der Lehre der Erfindung ist es möglich, Einkristallstäbe aus Silicium mit Durchmessern größer als 25 nun nach dem tiegelfreien Zonenschmelzen fast völlig versetzungsfre'i und ohne swirls mit flachem ^-Verlauf herausteilen.

Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden an Hand von Ausführungsbeispielen und der "Figuren· 1 "bis noch näher erläutert.

Figur 1 zeigt im Ausschnitt schematisch eine Anordnung mit einem Graphitring beiderseits der Induktionsheizspule,

Die Figuren 2 und 3 zeigen Anordnungen, bei denen die Graphitringe entweder unterhalb oder oberhalb der Induktionsheizspule angeordnet sind.

In den Figuren 1 bis 3 ist die Lage der Anordnung während des Zbnenschmelzens dargestellt.'

In Figur 1 ist in einem Siliciumkristailstab 2 mit Hilfe einer dreiwindigen Induktionsheizspule 3 eine Sehnelzzone erzeugt. Mit Hilfe der den Stab 2 oberhalb und unterhalb der Induktionsheizspule 3 umschließenden Graphitringe 5 und 6 wird im oberen Bereich der Schmelzzone durch das Vorheizen mittels des mitglühenden Graphitringes 5 eine Verringerung des iemperaturgradienten erzielt und im unteren Bereich der ScHmelzzone durch den ebenfalls durch die Induktionsheizspule 3 mitbeheizten und zum Glühen gebrachten Graphitring 6 eine Abflachung der Isothermen bewirkt, so daß im rekristallisierten Stabteil die Wärmespannungen auf ein Minimum reduziert v/erden. Bei Einhaltung der Bedingung Schraelzhöhe h kleiner als Höhe a des Graphitringes, d. aP" h, wird gewährleistet, daß versetzungs- und swirl-freies Silicium mit flachem £>-Verlauf auch bei relativ großen

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Krist'allstabdurchmessern hergestellt werden kann. Der Abstand D der "beiden Graphitringe 5 und 6 sollte dabei möglichst gleich der Höhe h der Schmelzzone sein.

In Figur 2 und 3 sind für den -Halbleiterstab und die Schmelzzone die gleichen 3ezugszeichen verwendet.wie in Figur 1. Die Schnelzzone 4 wird erzeugt durch eine Flachspule 7» welche in einer zur Stabachse senkrechten Ebene einen langgestreckten Querschnitt aufweist (sog. Lochpfannkuchenspulo)." Die Graphitringe 8 und 9 dienen in der Anordnung nach Bgur zur ITachbeheizung des rekristallisierten Stabteils und in Figur 3 zur Vorheisung des der Scheelζzone zugeführten Stabteils. Die Graphitringe 8 und 9 sind zur besseren Abstrahlung der Yfarme auf ihrer der Induktionsheizspule 7 zugewandten Stirnseite« nach der Spulennitte hin gekrümmt.

11 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

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■1.) Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines stabförmigen Körpers aus kristallinem Material, insbesondere aus Halbleitermaterial, mit Halterungen, in denen die beiden Enden des stabförmigen Körpers eingespannt sind, mit einer den Stab ringförmig umgebenden, als Flachspule ausgebildeten, die. Schmelzzone erzeugenden Induktionsheizspule und mit mindestens einer zusätzlichen, den Stab ringförmig umgebenden Heizeinrichtung, dadurch . gekennzeichnet, daß die zusätzliche Heizeinrichtung aus mindestens einem, in unmittelbarer ITähe der Induktionsheizspule angebrachten, mit dieser axial verschiebbaren und durch sie beheizbaren Graphitring besteht, und daß der G-raphitring .einen Innendurchmesser aufweist, der dem Stäbdurchmesser angepaßt ist.
2.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet 'j daß die zusätzliche Heizeinrichtung so angebracht ist, daß sie den aus der Schmelze auskristallisierenden Teil des stabförmigen Körpers nachbeheizt.
3«) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die zusätzliche Heizeinrichtung so angebracht ist, daß sie den der Schmelze zugeführten Stabteil 'vorbeheizt.
4.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeic hnet , daß je ein Graphitring oberhalb und unterhalb der Induktionsheizspule angeordnet ist.
5.) Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4> dadurch gekennzeichnet , daß der Graphitring einen um maximal 20^ größeren Innendurchmesser aufweist als der Stab.

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6.) Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet , daß eine Induktionsheizspule verwendet ist, welche aus einer ein- oder mehrwindigen Flachspule besteht„
7.) Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Induktionsheizspule verwendet ist, welche in einer zur Stabachse senkrechten Ebene einen langgestreckten Querschnitt aufweist.
8.) Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß ein Graphitring verwendet ist, dessen axiale Höhe a im Vergleich mit der Höhe h der Schmelzzone groß ist (a ]>h).
9.) Vorrichtung nach Anspruch 1. bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Wandstärke des Graphitringes an dem der'Induktionsheizspule zugewandten • Ende abnimmt.
10.) Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichne t , daß der Graphitring auf seiner der Induktionsheizspule zugewandten Stirnseite nach der Spulenmitte hin konvex gekrümmt ist.
11.) Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Graphitring in Bezug auf die Induktionsheizspule verschiebbar ausgebildet ist.

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