DE2531099B2

DE2531099B2 - Vorrichtung zum Abstützen des den Keimkristall enthaltenden Stabendes beim tiegelfreien Zonenschmelzen durch eine Trichterhülse

Info

Publication number: DE2531099B2
Application number: DE19752531099
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. 8000 Muenchen Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-07-11
Filing date: 1975-07-11
Publication date: 1978-04-06
Also published as: JPS5210807A; DE2531099A1; DE2531099C3

Description

Die Hauptanmeldung betrifft eine Vorrichtung zum senkrechten Haltern eines an seinem unteren Ende mit einem angeschmolzenen Keimkristall versehenen Halbleiterkristallstabes an beiden Enden beim tiegellosen Zonenschmelzen mit einer Einrichtung zum Abstützen des den Keimkristall enthaltenden Stabendes an einer von der Schmelzzone durchlaufenden Stelle, bei der die Einrichtung zum Abstützen aus einer mit der Halterung des Keimkristalls gekoppelten, axial verschiebbaren und drehbaren, in ihrer höchsten Lage den über dem Keimkristall liegenden Konusbereich des Stabes umschließenden, mit Stützmaterial gefüllten Trichterhülse besteht

Durch eine solche Trichterhülse, welche z.B. mit Quarzsand oder flüssig eingefülltem, erstarrtem Metall versehen ist, wird erreicht, daß Vibrationen vermieden werden, welche auftreten, wenn beim tiegelfreien Zonenschmelzen die Schmelzzone zu weit (ca. 50 cm, je nach Durchmesser) von der Anschmelzstelle des Keimkristalls bzw. der zur Vermeidung von Kristallversetzungen am Keimkristall gezogenen flaschenhalsförmigen Dünnstelle entfernt und das Stabgewicht auf dem Flaschenhals zu groß geworden ist. In der Hauptanmeldung ist die Abstützhülse durch von außen einwirkende Antriebsmittel relativ zur Stabhalterung in axialer Richtung verschiebbar ausgebildet. Bei der in der Hauptanmeldung beschriebenen Vorrichtung wird, bevor die Schmelzzone die für das Auftreten der Schwingungen kritische Entfernung von der Anschmelzstelle Keimkristall/Halbleiterkristallstab erreicht hat, die leere Trichterhülse zu weit nach oben verschoben, daß sie den über dem Keimkristall liegenden Konusbereich des Halbleiterkristallstabes umschließt. Dann wird die Trichterhülse mit dem Stabilisierungsmittel gefüllt. Es ist aber auch möglich, die Abstützhülse als Hebetrichter auszubilden und mit körnigem oder kugeligem Material schon vor dem zum Abstützen notwendigen Hochschieben zu füllen.

ίο Die vorliegende Erfindung nützt die Abstützhülse noch für einen anderen Zweck. Die Vorrichtung nach der Lehre der Erfindung ist nämlich gegenüber der in der Hauptanmeldung beschriebenen Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die Trichterhülse aus Metall und das Stützmaterial aus elektrisch leitfähigen Kugeln oder Körnern besteht, daß an der Trichterhülse ein großflächiger Stromkontakt angeordnet ist und daß in der oberen, den Vorratsstabteil tragenden Stabhalterung eine isoliert angebrachte Metallhülse vorgesehen ist, welche den Vorratsstabteil kontaktiert.

Die zusätzliche Stromzufuhr über die Trichterhülse kann in Dauerbetrieb vorgenommen werden. In diesem Fall wird die Wärmebilanz im Bereich der Schmelzzone durch den auftretenden Peltiereffekt verändert und damit die Form der wachsenden Grenzfläche beeinflußt. Es ist aber auch möglich, der Schmelzzone eines wachsenden Stabes über die Trichterhülse Stromimpulse für das Einbringen von koinzidenten Wachstumsmarken zuzuführen und dadurch den Wachstumsvorgang zu kontrollieren. Durch die Verwendung der Metalltrichterhülse als unterer Kontakt für eine großflächige Stromzufuhr sind im Einkristallstab viel höhere Stromdichten möglich als dies bislang bei einer Stromzufuhr durch die dünne flaschenhalsförmige Engstelle möglich war. Das Einbringen solcher Wachstumsmarken durch kurzzeitige hohe axiale Stromimpulse bekannter Frequenz ermöglicht wichtige Aufschlüsse über das Kristallwachstum (momentane Wachstumsgeschwindigkeit an jedem Ort, Dotierstoffverteilung in gleichzeitig gewachsenen Kristallbereichen, etc.). Das Verfahren ist in dem Aufsatz von Lichtensteiger, Witt und Gatos in »Journal Electrochem. Soc«, Vol. 118, Juni 1971, Nr. 6, Seiten 1013 bis 1015, beschrieben.

Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen und der in der Zeichnung befindlichen Figur, welche eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Lehre der Erfindung im Schnittbild darstellt, noch näher erläutert werden.

In der Figur ist ein einkristalliner Keimkristall 2 in einer Halterung 3 befestigt. Der Einkristall 2 ist flaschenhalsförmig zur Beseitigung der Versetzungen mit dem unteren Ende eines Halbleiterkristallstabes 4, z. B. aus Silicium, verbunden. Eine mittels einer Induktionsheizspule 5 hergestellte Schmelzzone 6 wird aufgrund einer Relativbewegung zwischen dem Halbleiterkristallstab 4 und der induktionsheizspule 5 in axialer Richtung durch den Halbleiterkristallstab 4, ausgehend von der Anschmelzstelle des Keimkristalls 2, hindurchbewegt. Eine Trichterhülse 7 aus Titan oder Stahl umschließt die Stabhalterung 3 und ist durch von außen einwirkende Antriebsmittel (in der Zeichnung nicht dargestellt) relativ zur Stabhalterung 3 in axialer Richtung verschiebbar ausgebildet. Bei der Drehung der Stabhalterung 3 wird die Trichterhülse 7 mitgedreht.

Die Trichterhülse 7 ruht auf einem Zapfen 8, der an einer innerhalb der Stabhalterung 3 angeordneten, in axialer Richtung bewegbaren Stange 9 angebracht ist und sich in einem Führungsschlitz 10 in der Stabhalte-

rung 3 befindet. Mit dem Bezugszeichen 11 ist der Bodenteil der für das tiegelfreie Zonenschmelzen vorgesehenen Kammer bezeichnet. Die notwendigen Abdichtungen sind der Übersichtlichkeit wegen in der Zeichnung nicht dargestellt.

Die Figur zeigt das Abstützen des Stabendes, das am dünnen, zuvor durch Aufschmelzen der Verschmelzungsstelle zwischen dem Halbleiterkristallstab 4 und dem Keimkristall 2 und Entfernen derselben voneinander in axialer Richtung erzeugten Verbindungsstück 12, der sogenannten fiaschenhaisförmigen Verengung, einkristallin und versetzungsfrei angewachsen ist.

Bevor die Schmelzzone 6 die für das Auftreten der Schwingungen kritische Entfernung von der fiaschenhaisförmigen Verengung 12 erreicht hat, wurde die Trichterhülse 7 mit Hilfe der Stange 9 so weit nach oben geschoben, daß sie den über dem Keimkristall 2 liegenden Konusbereich des Halbleiterkristallstabes 4 — wie in der Figur gezeigt wird — umschließt. Dabei wird das Stützmittel eine Schüttung von Ütahlkugeln 13 verwendet. An Stelle von Stahlkugel 13 können auch Stahlkörner, Siliciumkörner oder auch flüssiges Blei oder Indium, das in der Trichterhülse 7 erstarrt, verwendet werden. Wie aus der Figur zu ersehen ist, können nun keine Schwingungen des auf der flaschenhalsförmigen Verengung 12 sitzenden Halbleiterkristallstabes mehr entstehen. Der an den Keimkristall 2 und die flaschenhalsförmige Verengung 12 anschließende untere Stabteil 4 ist jetzt bereits so kalt, daß auch keine Versetzungsbildung mehr erfolgt.

Um einen elektrischen Längsstrom im Dauerbetrieb zur Beeinflussung der wachsenden Grenzfläche oder um Strnmimpulse zum Einbringen von koinzidenten Wachstumsmarken zu erzeugen, ist die Trichterhülse 7 mit einem elektrischen Kontakt 14 versehen. Als oberer Kontakt 16 für die Stromzufuhr ist in der oberen Stabhalterung 15 isoliert eine Metallhülse 18 aus Tantal, Molybdän, rostfreiem Stahl oder Titan angebracht, die direkt über dai; Vorratsstabteilende 17 geschoben wird. Die Metallhülse 18 wird von der Stabhalterung 15 durefc einen Isolierstoffring 19 aus Aluminiumoxid isoliert. Die beiden Stromzuführungen 14 und 16 werden zur Erzeugung des Heizstroms im Stab an eine Spannungsquelle 20 angeschlossen.

Beispiel 1

Zum Einbringen koinzidenter Wachstumsmarken an einem Siliciumeinkristallstab werden beispielsweise Stromimpulse von 20 A/cm² bei Frequenzen zwischen 10 und 0,1 Hz verwendet.

Beispiel 2

Zur Beheizung des wachsenden Stabes führt man diesem einen Wechselstrom von 50—200 A/cm² zu. Dies bewirkt eine zusätzliche Erwärmung längs des Stabes.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum senkrechten Haltern eines an seinem unteren Ende mit einem angeschmolzenen Keimkristall versehenen Halbleiterkristallstabes an beiden Enden beim tiegellosen Zonenschmelzen mit einer Einrichtung zum Abstützen des den Keimkristall enthaltenden Stabendes an einer von der Schmelzzone durchlaufenden Stelle, bei der die Einrichtung zum Abstützen aus einer mit der Halterung des Keimkristalls gekoppelten, axial verschiebbaren und drehbaren, in ihrer höchsten Lage den über dem Keimkristall liegenden Konusbereich des Stabes umschließenden, mit Stützmaterial gefüllten Trichterhülse besteht, nach Patentanmeldung (P 23 58 300.8-43), dadurch gekennzeichnet, daß die Trichterhülse aus Metall und das Stützmaterial aus elektrisch leitfähigen Kugeln oder Körnern besteht, daß an der Trichterhülse ein großflächiger Stromkontakt angeordnet ist und daß in der oberen, den Vorratsstabteil tragenden Stabhalterung eine isoliert angebrachte Metallhülse vorgesehen ist, welche den Vorratsstabteil kontaktiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Stromkontakt aus einer Hülse aus Molybdän, Tantal, Titan oder rostfreiem Stahl besteht, wobei die Stromzuführung durch einen die Hülse umschließenden Aluminiumoxidring durch die Stabhalterung isoliert nach außen geführt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trichterhülse aus Titan oder Stahl und die elektrisch leitfähigen Kugeln oder Körner aus Stahl oder Silicium bestehen.