DE2626377A1

DE2626377A1 - Crucible free zone melting support for crystal - comprising rotated and axially displaced bars with independent drives

Info

Publication number: DE2626377A1
Application number: DE19762626377
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Rer Nat Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-06-11
Filing date: 1976-06-11
Publication date: 1977-12-22

Abstract

A semiconductor rod carrying the seed crystal during a crucible-less zone melting operation is supported by a linkage, consisting of three bars parallel to the crystal holder rod which can be rotated and displaced axially. Each of the three bars which support the cone of the crystal rod has combined rotation and displacement system which can be actuated independent of the others. The three support centre lines can now be spaced wider than in the Parent Patent so that rods of larger dia. can be supported. Discs made of the same material as the processed crystal rod ensure a high degree of purity.

Description

Vorrichtung zum Abstützen des den Keimkristall enthaltendenDevice for supporting the containing the seed crystal

Stabendes beim tiegelfreien Zonenschmelzen.Rod end for crucible-free zone melting.

Zusatz zu P 25 48 050.6 (VPA 75 P 1182) Die Hauptanmeldung betrifft eine Vorrichtung zum Abstützen des den Eeimkristall enthaltenden Stabendes beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines an seinem unteren Ende mit dem angeschmolzenen Keimkristall versehenen, senkrecht an den beiden Enden gehalterten Halbleiterkristallstabes, bei der zum Abstützen im Konusbereich des Stabes ein aus drei parallel zur Stabachse und symmetrisch zueinander angeordneten, im Deckel der Drehachse der Eeimkristallhalterung drehbaren und verschiebbaren Stangen bestehendes Gestänge vorgesehen ist, das an seinem dem Stab zugewandten Ende beim Abstützvorgang mit dem Stabkonus in Kontakt gebracht wird.Addition to P 25 48 050.6 (VPA 75 P 1182) The main application concerns a device for supporting the rod end containing the single crystal at crucible-free zone melting one at its lower end with the melted one Seed crystal provided with a semiconductor crystal rod held vertically at both ends, for the support in the cone area of the bar one of three parallel to the bar axis and arranged symmetrically to one another, in the cover of the axis of rotation of the single crystal holder rotatable and displaceable rods existing linkage is provided on its end facing the rod in contact with the rod cone during the supporting process is brought.

Durch diese Vorrichtung ist die Möglichkeit gegeben, Siliciumeinkristallstäbe mit Durchmessern großer 60 mm und Längen größer 50 cm frei von Kristallversetzungen herzustellen, weil die über dem angeschmolzenen Keimkristall liegende, für die Versetzungsfeiheit verantwortliche flaschenhalsförmige Verengung in dem Stadium des Zonenschmelzens ausreichend abgestützt wird, in dem die Gefahr besteht, daß beim Übergang zu dicken Stabdurchmessern z. B. durch Aufstauchen das dünne Verbindungsstück zwischen Keimkristall und Siliciumstab abbricht oder der Stab über dem Verbindungsstück zu schwingen beginnt. Diese Schwingungen können Versetzungen im Stab erzeugen, ein Abtropfen der Schmelze aus der Schmelzzone bewirken und auch zum Durchbrechen des dünnen Verbindungsstückes und damit zur Unterbrechung des Schmelzzonendurchgangs führen. Diese Schwierigkeiten werden durch die Vorrichtung nach der Hauptanmeldung ausreichend beseitigt.This device makes it possible to produce silicon single crystal rods with diameters greater than 60 mm and lengths greater than 50 cm free of crystal dislocations to be produced, because the one above the fused seed crystal, for the freedom from dislocations responsible bottle neck narrowing at the stage of zone melting is adequately supported, in which there is a risk that the transition will be too thick Rod diameters z. B. by upsetting the thin connector between the seed crystal and silicon rod breaks off or the rod begins to vibrate over the connector. These vibrations can cause dislocations in the rod, causing the melt to drip off effect from the melting zone and also to break through of the thin Connecting piece and thus lead to the interruption of the melt zone passage. These difficulties are sufficient by the device according to the parent application eliminated.

Aus der DT-OS 23.58.300 ist auch eine Vorrichtung zum Abstützen zu entnehmen, welche diese Schwierigkeiten beseitigt. Dabei wird eine mit der Keiinkristallhalterung gekoppelte, axial verschiebbare Trichterhülse verwendet, welche in ihrer Höchstlage den Konusbereich des Stabes umschließt und mit einem Stabilisierungsmittel wie Quarzsand oder Metallkugeln beim Abstützen gefüllt wird. Durch das Einfüllen des Stabilisierungsmittels können jedoch eine Staubentwicklung oder Vibrationen entstehen, welche sich schädlich auf das Kristallmaterial auswirken können.From the DT-OS 23.58.300 a device for supporting is also included which eliminates these difficulties. One with the small crystal holder coupled, axially displaceable funnel sleeve used, which in its highest position encloses the cone area of the rod and with a stabilizing agent such as quartz sand or metal balls are filled when supporting. By adding the stabilizing agent However, dust or vibrations can arise, which can be harmful can affect the crystal material.

Bei der in der Hauptanmeldung beschriebenen Vorrichtung werden z.B. zum Abstützen des über der flaschenhalsförmigen Verengung bzw. dem Keimkristall liegenden Stabkonus an Stelle der Trichterhülse mit dem Stabilisierungsmittel drei symmetrisch angeordnete, durch die Drehachse der Keimkristallhalterung drehbar und verschiebbar hindurchgeführte Gewindespindeln verwendet, welche zur besseren Halterung und Zentrierung des Stabkonus mit Spitzen versehen sind. Dabei wird zwar eine Staubentwicklung beim Einfüllen des Stabilisierungsmittels vermieden, doch besteht jetzt die Gefahr, daß bei sehr großen Durchmessern die Abstützwirkung unzureichend ist. Man kann nämlich die drei Gewindespindeln nicht beliebig weit auseinandersetzen, weil sonst die untere Drehachse, in der diese drei Spindeln angeordnet sind, zu dick gemacht werden muß. Das führt aber zu Unregelmäßigkeiten in der Reib- und Gleitbewegung (stick-slip) und auch zu Abdichtungsproblemen. Der Antrieb für die Gewindespindeln ist sehr aufwendig und für einen ungleichmäßig ausgebildeten Stabkonus schwierig zu realisieren.In the device described in the parent application, e.g. to support the above the bottle neck-shaped constriction or the seed crystal lying rod cone in place of the funnel sleeve with the stabilizing agent three symmetrically arranged, rotatable through the axis of rotation of the seed crystal holder and Slidably passed threaded spindles are used, which for better support and centering of the rod cone are provided with points. It is true that there is a build-up of dust avoided when filling in the stabilizing agent, but now there is a risk of that with very large diameters the supporting effect is insufficient. You can Do not set the three threaded spindles apart as far as you want, otherwise the lower one The axis of rotation in which these three spindles are arranged must be made too thick. However, this leads to irregularities in the friction and sliding movement (stick-slip) and also to sealing problems. The drive for the threaded spindles is very complex and difficult to implement for an unevenly shaped rod cone.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung beseitigt diese Mängel und sieht eine andere Art des Abstützmechanismus vor. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß für die Übertragung der Bewegung des Gestänges jede der drei Dreh- und Verschiebestangen mit einem unabhängig voneinander zu betätigenden kombinierten Dreh- und Verschiebesystem ausgestattet ist.The device of the invention overcomes these shortcomings and sees another type of support mechanism. It is characterized in that for transferring the movement of the linkage each of the three rotating and sliding rods combined with one that can be operated independently of one another Rotating and sliding system is equipped.

Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, daß das Dreh- und Verschiebesystem aub einer durch den Deckel der Drehachse gleitend hindurchgeführten Drehhülse mit koaxial dazu angeordnetem Innenstift besteht, der als Dreh- und Verschiebestange dient, hohl ausgebildet ist und an seinem, dem Stabkonus zugewandten oberen Ende mit einer Auflagefläche und in dem Hohlraum an seinem unteren Ende mit einer Druckfeder versehen ist, daß ein die Drehhülse unterhalb des Deckels der Drehachse umfassendes Zahnrad vorgesehen ist, welches über ein Schneckenrad mit einem Antriebsmotor gekoppelt ist, daß die Dreh- und Verschiebestange an ihrem unteren Ende einen Fuhrungsbolzen für einen FührungssChlit in der Drehhülse enthält, über welchen sich die im hohlen Teil der Stange befindliche Druckfeder entspannen und die Stange in axialer Richtung bewegen kann, daß die Druckfeder in einem mit der Drehhülse an ihrem unteren Rand verbundenen Gehäuse gelagert ist und daß an der Oberseite des Deckels der Drehachse im Bereich des oberen Randes der Drehhülse ein Anschlag für einen an der Stange angebrachten Haltebolzen vorgesehen ist.It is within the scope of the invention that the rotation and displacement system aub with a rotary sleeve slidably passed through the cover of the rotary axis there is an inner pin arranged coaxially to it, which acts as a rotating and sliding rod serves, is hollow and at its upper end facing the rod cone with a support surface and in the cavity at its lower end with a compression spring is provided that a rotary sleeve encompassing below the cover of the axis of rotation Gear is provided, which is coupled to a drive motor via a worm wheel is that the pivot and slide rod has a guide pin at its lower end for a guide slot in the rotating sleeve, over which the hollow Relieve part of the rod located compression spring and move the rod in the axial direction can move that the compression spring in one with the rotary sleeve at its lower edge connected housing is mounted and that on the top of the cover of the axis of rotation in the area of the upper edge of the rotating sleeve, a stop for one on the rod Attached retaining bolt is provided.

Als Auflageflächen werden Scheiben verwendet, die aus dem gleichen Halbleitermaterial bestehen wie der zu behandelnde Kristallstab.Discs made of the same are used as support surfaces Semiconductor material exist like the crystal rod to be treated.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber der in der Hauptanmeldung beschriebenen Vorrichtung liegt darin, daß 1. die drei Abstützachsen wesentlich weiter auseinandergesetzt werden können, so daß beliebig große Stabdurchmesser abgestützt werden können, 2. durch die Verwendung der Scheiben aus dem gleichen Halbleitermaterial wie der zu behandelnde Kristallstab eine hohe Reinheit gewährleistet wird und 3. durch die unabhängige Bedienung eines jeden Dreh- und Verschiebesystems für sich eine optimale Abstützwirkung auch bei einem ungleichmäßig ausgebildeten Stab einstellbar ist.The advantage of the device according to the invention over that in the The device described in the main application is that 1. the three support axes can be set apart much further, so that any large rod diameter can be supported, 2. by using the washers of the same Semiconductor material such as the crystal rod to be treated ensures a high level of purity and 3. through the independent operation of each turning and shifting system in itself an optimal support effect even with an unevenly formed one Rod is adjustable.

Außerdem ergeben sich Vereinfachungen in mechanischer Hinsicht, weil di e die Keimkristallhalterung-Drehachse ohne die für den Abstützmechanismus erforderlichen Antriebsmittel ausgestattet werden kann.In addition, there are simplifications in mechanical terms because the seed crystal holder axis of rotation without the ones required for the support mechanism Drive means can be equipped.

Weitere Einzelheten und Vorteile der Erfindung sollen anhand der Figuren 1 und 2 noch näher erläutert werden. Dabei zeigt Figur 1 eine teils perspektivische Darstellung einer kombinierten Verschiebe- und Drehvorrichtung für eine der drei Drehstangen und Figur 2 die gesamte Dreier-Drehanordnung an der Unterseite des Drehachsendeckels. Für beide Figuren sind die gleichen Bezugszeichen verwendet.Further details and advantages of the invention should be based on the figures 1 and 2 will be explained in more detail. Figure 1 shows a partially perspective Representation of a combined shifting and rotating device for one of the three Rotary rods and FIG. 2 shows the entire three-way rotary arrangement on the underside of the rotary axis cover. The same reference symbols are used for both figures.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 2 der als Halteplatte dienende Deckel der Drehachse für die in der Figur nicht abgebildete Keimkristallhalterung bezeichnet. Durch die Halteplatte 2 wird über ein Gleitlager 3 aus Bronzeguß eine drehbar ausgebildete Hülse 4 aus Stahl so hindurchgeführt, daß sie mit ihrem oberen verbreiterten Rand 5 auf der Halteplatte 2 aufliegt. In dieser Drehhülse 4 befindet sich ein als Hohlfinger ausgebildeter Stift 6 aus Messing, der als Dreh- und Verschiebestange für die Abstützung des Stabkonus (in der Figur nicht dargestellt) dient.In Fig. 1, the reference numeral 2 is used as a holding plate Cover of the axis of rotation for the seed crystal holder, not shown in the figure designated. Through the holding plate 2 is a sliding bearing 3 made of bronze rotatably formed sleeve 4 made of steel passed so that it with its upper widened edge 5 rests on the holding plate 2. In this rotary sleeve 4 is located a pin 6 made of brass, designed as a hollow finger, which acts as a rotating and sliding rod serves to support the rod cone (not shown in the figure).

Dieser Stift 6 trägt zur Kontaktierung mit dem Stabkonus eine aus Silicium bestehende Kristallplatte 7 (Durchmesser 80 mm).This pin 6 carries out a contact with the rod cone Silicon existing crystal plate 7 (diameter 80 mm).

Durch den Doppelpfeil 8 und den Drehpfeil 9 soll die axiale Verschiebemöglichkeit und Drehbarkeit des Stiftes 6 in der Drehhülse 4 angezeigt werden.The double arrow 8 and the rotary arrow 9 are intended to allow axial displacement and rotatability of the pin 6 in the rotating sleeve 4 are displayed.

Der Abstützmechanismus funktioniert folgendermaßen: Ein mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichneter Antriebsmotor mit Schneckenrad 11 greift in ein Zahnrad 12 ein und dreht die Drehhülse 4 in Pfeilrichtung 13 so weit, daß der in der Drehhülse 4 befindliche Führungsschlitz 14 in dem an dem Innenstift 6 befindlichen Führungsbolzen 15 einrastet. Damit sich der Innenstift 6 nicht mit der Hülse 4 mitdrehen kann, wird der Innenstift 6 über einen Haltebolzen 16 an einem an der Oberseite der Halteplatte 2 untergebrachten Anschlag 17 festgehalten. Wenn sich der Führungsbolzen 15 im Führungsschlitz 14 befindet, entspannt sich eine im Inneren 18 des als Verschiebestange dienenden Hohlstiftes 6 befindliche Druckfeder 19 und schiebt den Stift 6 mit der als Kontaktfläche für den Stabkonus dienenden Siliciumscheibe 7 entsprechend ihrer Federkraft nach oben in den Bereich des abzustützenden Siliciumstabkonus (nicht dargestellt). Weil der Federweg der Feder 19 klein im Vergleich zur Federlänge ist, ergibt sich ein weiches Hochschieben des Stiftes 6. Die Druckfeder 19, das untere Ende der Verschiebestange n sowie das untere Ende der Drehhülse 4 befinden sich in einem mit der Drehhülse 4 verschraubten Gehäuse 20, an dessen Innenseite sich der Anschlag 21 für die Druckfeder befindet.The support mechanism works as follows: A with the reference number 10 marked drive motor with worm wheel 11 meshes with a gear wheel 12 and rotates the rotary sleeve 4 in the direction of arrow 13 so far that the in the rotary sleeve 4 located guide slot 14 in the guide pin located on the inner pin 6 15 clicks into place. So that the inner pin 6 cannot rotate with the sleeve 4, the inner pin 6 via a retaining bolt 16 on one at the top of the retaining plate 2 housed stop 17 held. When the guide pin 15 is in the guide slot 14 is located, a relaxes inside 18 of the serving as a sliding rod Hollow pin 6 located compression spring 19 and pushes the pin 6 with the as a contact surface for the rod cone serving silicon wafer 7 according to their spring force above in the area of the silicon rod cone to be supported (not shown). because the spring travel of the spring 19 is small compared to the spring length, a soft pushing up of the pin 6. The compression spring 19, the lower end of the sliding rod n and the lower end of the rotary sleeve 4 are in one with the rotary sleeve 4 screwed housing 20, on the inside of which is the stop 21 for the compression spring is located.

Nach entsprechender axialer Verschiebung der Stange 6 in der Drehhülse 4 in Richtung Stabkonus, wobei sich der Haltebolzen 17 öffnet, wird zur Kontaktierung der Siliciumscheibe 7 mit dem Stabkonus der Antriebsmotor 10 in Drehung in umgekehrter Richtung versetzt, so daß über das Zahnrad 12 die Hülse 4 zusammen mit der Stange 6 so weit nach rechts gedreht wird, bis der Scheibenrand (7) mit dem Stabkonus in Kontakt gebracht ist. Die Siliciumscheibe 7 ist auf der Verschiebe stange 6 exzentrisch befestigt und ist vor dem Abstützvorgang nach außen gedreht. Bei hergestellter Abstützung, also nach erfolgter Kontaktierung, kann noch ein elektrischer Stromkreis geschlossen werden, der den Motor für den Abstützarm (6, 7) anhält (in der Zeichnung nicht dargestellt).After a corresponding axial displacement of the rod 6 in the rotating sleeve 4 in the direction of the rod cone, whereby the retaining bolt 17 opens, is used for contacting the silicon wafer 7 with the rod cone of the drive motor 10 in rotation in reverse Direction offset so that the sleeve 4 together with the rod via the gear 12 6 is turned to the right until the disc edge (7) with the rod cone in Is brought into contact. The silicon wafer 7 is on the sliding rod 6 eccentric attached and is rotated outwards before the support process. When the support is established, so after contact has been made, an electrical circuit can still be closed which stops the motor for the support arm (6, 7) (not shown in the drawing).

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Unterseite der Halteplatte 2.2 shows a plan view of the underside of the holding plate 2.

Dabei sind die auf der Halteplatte 2 befestigten Antriebsmotoren für die Dreieranordnung mit den Bezugs zeichen 10, 30 und 40, die Schneckenräder mit den Bezugszeichen 11, 31 und 41, die Zahnräder mit den Bezugszeichen 12, 32 und 42 und die die Drehhülsen abschließenden Gehäusedeckel mit 20, 22 und 23 bezeichnet. Die Zuführungen 24, 25 und 26 für die Antriebsmotoren 10, 30 und 40 werden durch die Durchführung 27 für die Keimkristallhalterung an der Halteplatte 2 nach außen drehbar geführt.The drive motors attached to the holding plate 2 are for the triple arrangement with the reference characters 10, 30 and 40, the worm gears with the reference numerals 11, 31 and 41, the gears with the reference numerals 12, 32 and 42 and the housing cover closing off the rotating sleeves are designated by 20, 22 and 23. The feeds 24, 25 and 26 for the drive motors 10, 30 and 40 are through the passage 27 for the seed crystal holder on the holding plate 2 to the outside rotatably guided.

Nach Fertigstellung des Stabes werden die Siliciumscheiben 7 vom Stabkonus wieder weggedreht, die Stange 6 zurückgeschoben und der Führungsbolzen 15 aus dem Führungsschlitz 14 herausgedreht. Anschließend kann der Stab dann ausgebaut werden.After the rod has been completed, the silicon wafers 7 are removed from the rod cone rotated away again, the rod 6 pushed back and the guide pin 15 out of the Guide slot 14 unscrewed. The rod can then be removed.

Durch die Vorrichtung nach der Lehre der Erfindung ist die Möglichkeit gegeben, Siliciumeinkristallstäbe mit Durchmessern größer als 75 mm und Längen größer als 100 cm versetzungsfrei herzustellen.The device according to the teaching of the invention provides the possibility given, silicon single crystal rods with diameters greater than 75 mm and lengths greater as 100 cm free of dislocations.

3 Patentansprüche 2 Figuren3 claims 2 figures

Claims

Patentansi:> Smells 1.) Device to support the egg crystal containing rod end in the crucible-free Zonensohmelzen one at its lower End with the fused seed crystal, perpendicular to both ends held semiconductor crystal rod, in which to support in the cone area of the Rod one of three arranged parallel to the rod axis and symmetrically to each other, Rotatable and displaceable rods in the cover of the axis of rotation of the seed crystal holder existing linkage is provided at its end facing the rod at Support process is brought into contact with the rod cone, according to patent. (Patent application P 25.48.050.6 = VPA 75 P 1182), that is for the transmission of the movement of the rod for support on the rod cone each of the three rotating and sliding rods with one that can be operated independently of each other combined rotating and shifting system.

2.) Device according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the rotation and displacement system from one, through the cover of the axis of rotation there is a sliding rotating sleeve with an inner pin arranged coaxially with it, which serves as a rotating and sliding rod, is hollow and on his, the Rod cone facing upper end with a support surface and in the cavity its lower end is provided with a compression spring that a rotating sleeve below of the cover of the axis of rotation comprehensive gear is provided, which via a worm wheel is coupled to a drive motor that the rotating and sliding rod on their the lower end contains a contact pin for a guide slot in the rotating sleeve, Via which the compression spring located in the hollow part of the rod relax and the rod can move in the axial direction that the compression spring in one with the rotary sleeve is mounted at its lower edge connected housing and that on the top of the cover of the axis of rotation in the area of the upper edge of the rotating sleeve a stop is provided for a retaining bolt attached to the rod.

3.) Device according to claim 1 and 2, d a d u r c h g e -k e n n notices that the support surfaces used are disks made from the same Semiconductor material exist like the semiconductor rod to be treated.