DE2343779A1

DE2343779A1 - Vorrichtung zum tiegelfreien zonenschmelzen eines kristallinen stabes

Info

Publication number: DE2343779A1
Application number: DE19732343779
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-08-30
Filing date: 1973-08-30
Publication date: 1975-03-06
Also published as: DE2343779C3; JPS5051470A; DE2343779B2

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT 8 München 2 3 Ol AUd 1973

Berlin und München Wittelsbacherplatz

73/1153

Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes.

Die vorliegende Patentanmeldung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines in einem mit Schutzgas gefüllten Rezipienten lotrecht an seinen Enden gehalterten kristallinen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes, dessen Halterungen, von denen mindestens eine um ihre lotrechte Achse in Drehung versetzt wird, relativ zu einer den Stab ringförmig umgebenden Induktionsheizspule in Richtung der Stabachse bewegt v/erden, bei der zum vakuumdichten Abdichten der die Stabhalterungen tragenden und die Spulenzuführungen enthaltenden Wellen gegen die Rezipientenwand mit Öl gefüllte Simmerringkammern verwendet werden.

Beim tiegelfreien Zonenschmelzen wird ein kristalliner Stab an seinen beiden Enden eingespannt und lotrecht gehaltert. Die beiden Halterungen, die an lotrechten Wellen befestigt sind können um ihre Achsen gedreht und - wenn der Stabquerschnitt beim Zonenschmelzen verändert werden soll in vertikaler Richtung verschoben werden. Eine Heizeinrichtung dient dazu, im Stab eine Schmelzzone zu erzeugen. Durch Relativbewegung zwischen der Heizeinrichtung und dem Stab kann diese Schmelzzone durch den Stab der Länge nach hindurchgeführt werden. Das Zonenschmelzen dient sowohl zum Reinigen des Materials als auch zum Einkristallzüchten mit Hilfe eines angeschmolzenen Keimkristalls.

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Edt/PUr - 2 -

Zur Vergleichmäßigung des Widerstandsverlaufs über den Stabquerschnitt können die beiden durch die Schmelzzone getrennten Stabteile so angeordnet werden, daß ihre lotrechten Längsachsen seitlich gegeneinander versetzt sind. Dabei wird die eine Halterung im Verhältnis zur zweiten Halterung und zur Heizeinrichtung fortlaufend seitlich und in der Höhe verschoben, wobei der Querschnitt des auskristallisierenden Stabteils bis auf den gewünschten Solldurchmesser vergrößert werden kann. Nach Erreichen dieses Solldurchmessers wird der auskrxstallisierende Stabteil im Verhältnis zur Heizeinrichtung nur noch in der Höhe verschoben.

Der Zonenschmelzprozeß wird entweder im Vakuum oder in Schutzgasatmosphäre, bestehend aus Wasserstoff, Argon oder einem anderen inerten Gas, durchgeführt. TJm versetzungsfreies Kristallmaterial zu erhalten, wird im Rezipient ein Druck eingestellt, der höher ist als der Atmosphärendruck. Beim Zonenschmelzen unter Schutzgas, insbesondere in Argonatmosphäre, bildet sich aber durch die Gaserwärmung ein zusätzlicher Überdruck im Rezipienten aus, der umso höher steigt, je größer die gewünschten Durchmesser der herzustellenden Halbleiterkristallstäbe sind.

Es wurde nun beobachtet, daß die normalen, zur Abdichtung gegenüber der Außenatmosphäre verwendeten ölgefüllten Simmerringkammerndichtungen für die an den Stabhalterungen befestigten Wellen durch den Überdruck im Rezipienten undicht weiden und daß dadurch das Schutzgas in die ölkammern eintritt, bzw. OeI in den Rezipienten gelangt.

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Die vorliegende Erfindung schafft hier Abhilfe durch ! eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Simmerringkammern unter einen Preßluftdruck gesetzt werden, der höher ist als der höchste im Rezipienten während des Zonenschmelzen auftretende Gasdruck.

Dabei ist in einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgesehen, daß der Preßluftdruck (Ρβτ) um mindestens 0,5 at höher eingestellt wird als der im Rezipienten herrschende Gasdruck (p_R)» d.h., p«-, =p„+(=0,5at). Die Dichtlippen werden dann unter allen vorkommenden Arbeitsbedingungen, ob Hochvakuum oder Überdruck, an die zu dichtenden Wellen gepreßt.

An Hand der Zeichnung, in der die für die Erfindung wesentlichen Teile einer beispielhaften Zonenschmelzanlage im Querschnitt dargestellt sind, sollen nähere Einzelheiten beschrieben werden.

In der horizontalen Wand 1 einer in der Figur nicht dargestellten Zonenschmelzkammer, auch Rezipient genannt, ist eine Antriebswelle 2 für die Halterung 3 eines SiIiciumkristallstabes 4 vakuumdicht geführt. Der Siliciumkristallstab 4 setzt sich aus dem wiedererstarrenden Stabteil 7 und dem der Schmelzzone 6 zugeführten Stabteil 5 zusammen. Die Schmelzzone 6 wird durch eine Induktionsheizspule 8 erzeugt. Die Antriebswelle 3 wird durch an sich bekannte Antriebsmittel in Umdrehungen versetzt und kann außerdem relativ zur Heizeinrichtung 8 in Richtung der Stabachse bewegt werden. Die vakuumdichte Durchführung der Antiebswelle 3 durch die horizontale Zonenschmelzkammerwand 1 wird durch eine mit öl 13 gefüllte

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Simmerringkammer 9 hergestellt, welche an einem auf der horizontalen Zonenschmelzkammerwand 1 angeflanschten Rohrstück 10 befestigt ist. An der Simmerringkammer 9 befindet sich ein rohrförmiges Ansatzstück 11, welches nach außen durch öl 14 abgedichtet ist. Auf diese ölsäule (14) und damit auf das in der Simmerringkammer 9 befindliche Öl 13 wird ein Preßluftdruck (s. Pfeil 12) ausgeübt, der verhindert, daß bei Entstehen eines Überdrucks im Rezipienten während des Zonenschmelzen die Schutzgasatmosphäre in die Ölkammer eintritt und damit zu Undichtigkeiten im Rezipienten führt.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist die Möglichkeit gegeben, Halbleiterkristallstäbe, insbesondere SiIiciumstäbe, mit Durchmessern größer als 50 mm, in Argonatmosphäre auch bei Überdruck, herzustellen, welche in Bezug auf Versetzungen eine hohe Kristallperfektion aufweisen. Der im Rezipienten herrschende Argondruck liegt während des Zonenschmelzen im Mittel um 0,4 at höher als der Normaldruck. Der Preßluftdruck wird dann so eingestellt, da er mindestens 0,5 at höher, vorzugsweise 1,0 at höher liegt als der Rezipientendruck.

Die in die Deckelfläche des Rezipienten eingebaute Vorrichtung kann auch in dessen Bodenteil oder in die seitlichen Wände eingebaut werden, so daß auch weitere Wellen völlig vakuumdicht in der Rezipientenwand geführt sind.

2 Patentansprüche
1 Figur

509810/094 1 VPA 9/110/5065 - 5 -

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines in einem mit Schutzgas gefüllten Rezipienten lotrecht an seinen Enden gehalterten kristallinen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes, dessen Halterungen, von denen mindestens eine um ihre lotrechte Achse in Drehung versetzt wird, relativ zu einer den Stab ringförmig umgebenden Induktionsheizspule in Richtung der Stabachse bewegt werden, bei der zum vakuumdichten Abdichten der die Stabhalterungen tragenden und die Spulenzuführungen enthaltenden Wellen gegen die Rezipientenwand mit Öl gefüllte Simmerringkamnern verwendet werden,. dadurch gekennzeichnet, daß die Siinmerringkammern unter einem Preßluftdruck gesetzt werden, der höher ist als der höchste im Rezipienten während des Zonenschmelzens auftretende Gasdruck.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e kennze ichne t, daß der Preßluftdruck (p«-i ) um mindestens 0,5 at höher eingestellt wird als der herrschende Gasdruck

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