DE2637939A1

DE2637939A1 - Vorrichtung fuer das tiegelfreie zonenschmelzen von halbleiterstaeben

Info

Publication number: DE2637939A1
Application number: DE19762637939
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Rer Nat Keller; Norbert Wiedl
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1976-08-23
Filing date: 1976-08-23
Publication date: 1978-03-02
Also published as: JPS5326705A; DE2637939C3; JPS6050758B2; IT1086508B; DE2637939B2; DK372977A

Description

Vorrichtung für das tiegelfreie Zonenschmelzen von Halbleitcr-
stäben.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für das tiegelfreie Zonenschmelzen von Halbleiterstäben mit einer den jeweils zu behandelnden Halbleiterstab mit Abstand umgebenden und von einem Hochfrequenzgenerator mit Energie versorgten Induktionsheizspule zur Erzeugung der Schmelzzone in dem axial zur Induktionsheizspule zu verschiebenden Halbleiterstab, bei der der Hochfrequenzgenerator abschaltbar ist.
Solche Vorrichtungen werden bekanntlich bei der Herstellung von einkristallinen Halbleiterstäben aus polykristallinen Stäben bzw. zur Reinigung und Dotierung allgemein eingesetzt. Der zu behandelnde Halbleiterstab ist in einem Behandlungsgefäß an seinen Endeniin vertikaler Lage gehaltert und längs einer schmalen Zone von den Windungen der Induktionsheizspule mit Abstand umgeben. Diese wird gewöhnlich mit der von einem entsprechenden Generator erzeugten Hochfrequenzenergie versorgt.
Das dann in der Umgebung der Spule erzeugte elektromagnetische Wechselfeld ist dann mit einem schmalen Abschnitt des Halbleiterstabes gekoppelt und erzeugt in diesem Sekundärströme, die die Erzeugung und Erhaltung der Schmelzzone bewirken. Durch eine axiale Verschiebung des Stabes relativ zu der Induktionsheizspule verschiebt sich auch die Schmelzzone in entsprechender Weise im Stab, bis schließlich das gesamte Stabmaterial die Schmelzzone passiert hat.
Während der beschriebenen Prozedur befindet sich der lIalbleiterstab unter Vakuum bzw. in inurLtgr oreduzierender Atmosphäre.
In Anbetracht, daß zum Erschmelzen einer Zone aus hochreinem Silicium oder anderem Halbleitermaterial eine beträchtliche Energiekonzentration übertragen werden muß, treten während des Betriebes an der Induktionsheizspule erhebliche Spannungen auf, die zu plötzlichen Entladungen einerseits zwischen den Windungen der Induktionsheizspule andererseits zwischen der Induktionsheizspule und dem zonenzuschmelzenden Halbleiterstab übergehen und die von beträchtlichen Stromstärken begleitet sind. Mitunter beobachtet man auch Überschläge zwischen der Induktionsheizspule und anderen sich im Behandlungsgefäß befindlichen Teilen der Apparatur. Eine prinzipielle Unterbindung der Überschläge ist nicht immer möglich.
In der DT-OS P 22 04 441.3 (VPA 72/1017) ist eine Vorrichtung zum induktiven Beheizen von Halbleitermaterial in Vakuum- und Gasziehanlagen beschrieben, bei welchen eine dastHalbleitermaterial umgebende Induktionsheizspule mit einer Kapazität zu einem HF-Schwingkreis zusammengefaßt und von einem EF-Generator gespeist ist. Für diese Erfindung ist als kennzeichnende Maßnahme vorgesehen, daß an den H?-Schwingkreis eine Schaltungsanordnung gekoppelt ist, die aus einem kapazitiven Spannungsteiler mit Gleichrichter, einem Differenzierglied, einer Transistorlogik mit einer bistabilen Kippstufe, deren Ansprechempfindlichkeit durch einen Regelwiderstand im Emitterkreis der Transistoren einstellbar ist, und einer Schaltstufe besteht und als automatische elektronische Sicherung wirkt, und mit der Steuereinrichtung des HF-Generators und des Ziehmechanismus verbunden ist, so daß bei Eintreten eines Spannungs-Zusammenbruchs die Vorrichtung automatisch abgeschaltet wird.
Die dort gestellte Aufgabe besteht darin, beim Auftreten eines Überschlages sofort den HF-Generator abzuschalten, um eine Beschädigung der Anordnung zu vermeiden. Andererseits zeigt aber die Erfahrung, daß oftmals nur eine kurzzeitige Unterbrechung erforderlich ist, um die Ionisierung in der Umgebung der Induktionsheizspule zum Abklingen zu bringen und die Anordnung wieder betriebsbereit zu machen.
Die Aufgabe der in der DT-OS 22 04 441.3 beschriebenen Vorrichtung ist es, die sonst erforderliche Beaufsichtigung der sich im Betrieb befindlichen Apparatur entbehrlich zu machen, weil diese durch die dort beschriebene elektronische Schaltung geschützt ist und nicht mehr durch länger anstehende Lichtbögen beschädigt werden kann.
Allerdings wird der in der Apparatur dem Zonenschmelzen unterworfene Stab fast stets bei einem derartigen Vorgang unbrauchbar, weil die Schmelzzone ausläuft, mindestens aber eine starke Formveränderung am Ort der Schmelze auftritt, welche ein Wiederaufschmelzen nicht mehr möglich macht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, hier Abhilfe zu schaffen und auch das.Schmelzgut vor Beschädigungen zu schützen.
Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäß eine Zusatzeinrichtung für das tiegellose Zonenschmelzen von Halbleiterstäben, insbesondere von Siliciumstäben angegeben, welche die Energiezufuhr zu der Induktionsheizspule unmittelbar beim Auftreten eines Überschlages automatisch lediglich für eine einstellbare Zeitspanne unterbricht, um sie dann selbsttätig wieder einzuschalten.
In Weiterbildung der Erfindung kann sich beim Wiederauftreten der Entladungen die automatische Unterbrechurig wiederholen.
Schließlich kann die Anordnung so ausgestaltet werden, daß nach mehrmaligem Auftreten der störenden Entladungen eine endgültige Abschaltung erfolgt, da es sich dann in den meisten Fällen um eine Störung handelt, die eine intensivere Wartung der Anordnung, z.B. der Vakuumdichten, erforderlich macht.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß in dem die Induktionsheizspule speisenden HF-Generator ein System aus spannungs- und/oder stromgesteuerten elektrischen Schaltern vorgesehen und derart durch einen auf plötzliche Amplitudenänderungen der an die Induktionsheizspule gelieferten Wechselspannung ansprechenden Sensor beaufschlagt ist, daß beim Auftreten eines elektrischen Überschlags der H?-Generator automatisch abschaltet und nach einer einstellbaren Zeit wieder abgeschaltet wird.
Dabei ist bevorzugt das folgende Verhalten angestrebt, welches der Tatsache Rechnung trägt, daß verhältnismäßig kurzdauernde Überschläge zwischen Induktionsheizspule und Halbleiterstab bzw.
zwischen Teilen der Induktionsheizspule ziemlich häufig auftreten und die Ursache des Überschlags mit dem Auftreten der Entladung beidseitig ist.
Tritt ein Überschlag auf, so soll der Generator für die H?-Frequenz für eine kurze, wählbare Zeit ausgetastet und dann automatisch wieder eingeschaltet werden. Ist die Ursache der Entladung beseitigt, so läuft der Zonenschmelzprozeß ungestört weiter. Kommt es jedoch erneut zu einem Überschlag, so wiederholt sich das automatische Ein- und Ausschalten ebenfalls für eine beliebig wählbare Zeitdauer. Erst wenn dann die Ursache des Überschlages immer noch nicht beseitigt ist, schaltet der Generator endgültig aus.
Zur näheren Beschreibung der Erfindung wird auf die Figuren 1 und 2 verwiesen, wobei Figur 1 ein Prinzipschaltbild und Figur 2 den für die Tastung und Abschaltung des Generators wesentlichen Teil einer Vorrichtung gemäß der Erfindung im Detail darstellt.
Wie üblich ist auch in diesem Falle die Induktionsheizspule Bestandteil eines HF-Schwingkreises 1, der in bekannter Weise von einem H-Generator 9 mit Energie versorgt wird, welche einen elektrischen Strom in dem Schwingkreis 1 und damit in der Indu>-tionsheizspule zur Folge hat. Durch den Schwingkreis 1 wird ein kapazitiver Spannungsteiler 2 beaufschlagt, der z.B. induktiv mit dem Schwingkreis 1 gekoppelt ist und einen Gleichrichter 3, z.B. eine Gleichrichterbrücke, beaufschlagt. Dieser Gleichrichter ist mit einem Glättungskondensator versehen, so daß eine der Amplituden des im Schwingkreis 1 fließenden Wechselstroms und damit der Amplitude der an die Induktionsheizspule liegenden Spannung proportionale Gleichspannung U geliefert wird. Diese ist an die beiden Eingänge eines hochohmigen Differenzverstärkers gelegt, der neben einem von ihm gesteuerten Schalttransistor DV den Hauptteil der mit 4 bezeichneten Impulserzeugerstufe bildet.
Der eine der beiden Eingänge des Differenzverstärkers in der Stufe 4 ist außerdem mit einem RC-Glied,- also einem Kondensator C mit Parallelwiderstand R versehen, der dafür sorgt, daß eine Änderung der von der Gleichrichterkombination 3 gelieferten Gleichspannung U (also mit anderen Worten bei einem Überschlag im Bereich des Schwingkreises 1) sich an dem betreffenden Eingang des Differenzverstärkers im Vergleich zum anderen Eingang mit Verzögerungen bemerkbar macht. Die Folge ist, daß der nachgeschaltete Schalttransistor Tr während dieser Verzögerung einen elektrischen Impuls an die Vergleichsstufe 5 weitergibt.
Diese hat die Aufgabe, zu entscheiden, ob der HP.-Generator 9 ausgeschaltet werden soll. Als Kriteriun dient hierfür die Länge des jeweiligen von der Stufe 4 gelieferten Impulses. Überschreitet diese eine bestimmte vorgegebene Zeitspanne, so sendet die Vergleichsstufe 5 einen Impuls an den Schalter 7, der darauf hin den HF-Generator 9 ausschaltet. Da hierdurch auch der Schwingkreis 1 und die Stufen 2 bis 4 abgeschaltet werden, erlischt dann auch der die Vergleichsstufe 5 beaufschlagende Impuls. Erlischt der Überschlag und der Impuls vorzeitig, so wird hierdurch der alte Zustand der von der Gleichrichterkombination 3 gelieferten Gleichspannung wieder hergestellt, so daß der an den Vergleicher 5 liegende Impuls ebenfalls erlischt.
Der Vergleicher 5 kann beispielsweise aus einer Kippstufe mit Zeitverhalten bestehen. Zu bemerken ist, daß aber auch die in der DT-OS 2 204 441 beschriebene Ausgestaltung des den Spannungseinbruch und damit den Überschlag registrierenden Sensors ohne Weiteres hier angewendet werden kann. Dort ist, wie bereits erwähnt, der Gleichrichterstufe ein Differenzierglied und diesem ein2ransistqrlogik nachgeschaltet, welche als bistabile Kippstufe ausgebildet ist. Diese ist bistabil mit den beiden Transistoren T1 und T2 ausgebildet, wobei in dem Emitterkreis der beiden Transistoren ein Regelwiderstand geschaltet ist, mit dessen Hilfe die Ansprechempfindlichkeit der bistabilen Kippstufe eingestellt werden kann. Beim Ansprechen der Kippstufe wird dann der die Schmelzzone in dem behandelten Halbleiterstab erzeugende Generator 9 ausgeschaltet bzw. der die Induktionsheizspule enthaltende Schwingkreis von dem Generator abgeschaltet.
Bei der in Pigur 1 im Blockschaltbild dargestellten Ausbildung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung wird ebenfalls - hier durch die Vergleichsstufe 5 - ein Impuls geliefert, der über eine Ausschaltstufe 7 die Abschaltung des HF-Generators 9 bewirkt.
Gleichzeitig wird aber dieser Impuls einer Reaktivierungsstufe 8 zugeleitet, die nach Ablauf einer vorgegebenen, insbesondere gegen die Abkühlzeit des zu behandelnden Halbleiterstabes kleinen, Zeitspanne das selbsttätige Wiedereinschalten des Generators 9 bewirkt. Ein Schaltbild dieser Anordnung 8 ist in Figur 2 dargestellt.
Diese besteht aus einer Kaskadenschaltung von drei Relais Ral, Ra2, Ra3. Gibt die Vergleichstufe 5 einen Impuls an die Abschaltvorrichtung 7 so gelangt dieser Impuls, wie bereits festgestellt, (über einen Gleichrichter D1) an die Spule eines ersten Relais Ral, dessen Schalter S1 eine Gleichspannung, z.B.
60 V, an die Kombination der Erregerspule eines zweiten Relais Ra2 und eine über einen Widerstand R4 aufzuladenden Kondensators C1 legt. Dadurch ist eine über die RC-Zeit der Kombination von C1 und R4 einstellbare Verzögerung gegeben, bevor die beiden Schalter S2 des zweiten Relais Ra2 ansprechen.
Durch den einen dieser Schalter S2 wird eine Reaktivierungsspannung, z.B. 60 V Gleichspannung, zur Wiedereinschaltung der Spannung des Generatcrs 9 an den Schwingkreis 1, z.B. über den Schalter 7, zur Verfügung gestellt und der HF-Generator 9 selbsttätig wieder an den Schwingkreis 1 gelegt. Durch den anderen Schalter S2 wird die Spule des Relais Ral wieder stromlos und sein Schalter Sl wieder geöffnet, so daß das Relais Ral für einen neuen von der Vergleichsstufe 5 gelieferten Impuls empfangsbereit ist.
Außerdem wird der Kondensator C1 über den Widerstand R5 zwangsentladen und der Anfangszustand erreicht.
Das dritte Relais Ra3 der Kaskade wird durch das Ansprechen des zweiten Relais Ra2, also jedesmal beim automatischen Reaktivieren des HF-Generators 9, an Spannung, z.B. 60 V Gleichspannung, gelegt. Auch dieses Relais Ra3 wird über die Kombi-.
nation eines Kondensators - C2 - und eines Widerstands - R6 -mit Strom versorgt. Der Kondensator C2 hat jedoch eine merklich größere Aufladezeit und damit auch Entladungszeit als der mit dem zweiten Relais Ra2 verbundene Kondensator C1. Außerdem ist eine Diode D7 vorgesehen, welche die Entladung des Kondensators C2 sperrt. Infolgedessen wird dem Kondensator C2 bei jeder Aktivierung des zweiten Relais Ra2 Ladung zugeführt, die im Kondensator C2 gespeichert wird. Wird auf diese Weise die Ansprechspannung von Relais Ra3 erreicht, so zieht dieses an und hält sich über einen der beiden Kontakte von S3 selbst. Der andere Kontakt sperrt über Relais 10 die automatische Wiedereinschaltung des HF-Generators.
Um die Reaktivierungsanlage 8 wieder in Betrieb zu setzen muß das selbsthaltende Relais Ra3 wieder betriebsbereit gemacht, also der Strom über das Relais unterbrochen werden. Dies geschieht über bewußtes Wiedereinschalten des HF-Generators von Hand.
Aus diesem Schaltbeispiel sind weitere Schaltelemente, wie Dioden und Widerstände ersichtlich, die bisher nicht erwähnt worden sind. Sie dienen vor allem der Regulierung der Stromführung in dem genannten Sinn und zur Anpassung der Relais-Erregerspannung.
Die Realisierung der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung kann unter folgenden Bemessungen für die Relais, Widerstände, Dioden und Kondensatoren erfolgen: 1 = 1 k ; 2 = 1 k ; R3 = 1 k ; R4 = 820 R5 = 820 ; R6 = 820 ; C1 = 1000/uF; C2 = 2000/uF.
Für das Relais Rad/2/3 empfiehlt sich z.B. die im Handel erhältliche Type Kartenrelais NV 23 012-A.
Die Dioden D1 bis D6 können z.B. durch die Type BAY 45 die Diode D7 durch die Type AAY 27 realisiert werden.
Die anhand von Figur 2 dargestellte Reaktivierungsvorrichtung 8 hat den Vorteil geringer Herstellungskosten und dennoch eines einwandfreien, störungsfreien Arbeitens.
Es ist verständlich, daß andere Lösungen ebenfalls möglich sind.
Beispielsweise kann man das Relais Ra3 durch einen elektronischen Zähler ersetzen, der durch das Relais Ra2 beaufschlagt ist und die Zahl der Einschaltvorgänge durch das Relais Ra2 registriert, um nach Erreichen einer zugelassenen Anzahl von Einschaltvorgängen, die entdgültige Abschaltung des HS-Generators zu bewirken.
Eine andere Realisierung wäre gegeben, wenn die von der Vergleichsstufe 5 gelieferten Impulse zur Steuerung einer monostabilen Kippschaltung dienen würden, die nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit wieder in den Ausgangszustand zurückkehren würde und bei der der Ausgangszustand zugleich mit dem Zustand "Ein" des Generators 9 gekoppelt, der astabile Zustand hingegen mit dem Zustand "Aus" des Generators gekoppelt wäre. Ein die Zahl der Kippvorgänge registrierender Zähler könnte hier wiederum eingesetzt werden, um nach Ablauf einer vorgegebenen Zahl von Kippvorgängen, durch den Zähler die endgültige Ausschaltung des Generators zu bewirken.
Selbstverständlich kann der Generator auch durch Anlegen einer hohen negativen Gittervorspannung an die Senderöhre ausgeschaltet und durch Wegnahme dieser Spannung wieder eingeschaltet werden.
2 Figuren 7 Patentansprüche

Claims

Pat entansprüche 1.) Vorrichtung für das tiegeifreie Zonenschmelzen von Halbleiterstäben mit einer den jeweils zu behandelnden Halbleiterstab mit Abstand umgebenden und von einem Hochfrequenzgenerator mit Energie versorgten Induktionsheizspule zur Erzeugung der Schmelzzone in dem axial zur Induktionsheizspule zu verschiebenden Halbleiterstab, bei der der Hochfrequenzgenerator abschaltbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß im die Induktionsheizspule speisenden Xochfrequenzger.erator (9) ein System aus spannungs- und/oder stromgesteuerten elektrischen Schaltern (7, 8) vorgesehen und derart durch einen auf plötzliche Amplitudenänderungen der an die lnduktionsheizspule gelieferten Wechselspannung ansprechenden Sensor (2, 3, 4, 5) beaufschlagt ist, daß beim Auftreten eines Überschlages an der Induktipnsheizspule der Hochfrequenzgenerator (9) automatisch abgeschaltet und nach einer einstellbaren Zeit wieder angeschaltet wird.
2.) Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß ein zur Erzeugung eines elektrischen Impulses beim Auftreten eines eine Mindestdauer aufweisenden Durchschlags an der Induktionsheizspule dienender Sensor (2, 3, 4, 5) die von ihm erzeugten Impulse an eine die Abschaltung der Wechselstromquelle von der Induktionsheizspule bewirkenden Abschalter (7) und gleichzeitig an eine eine mit einstellbarer Verzögerung arbeitende und eine TiJiederanscilalbung der Induktionsheizspule an die ecnselstroquelle (9) bewirkende Reaktivierungsstufe (8) gelegt sind.
3.) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e -k e n n z e f c h n e t , daß die Reaktivierungsstufe (8) eine aus mindestens zwei nachgeschalteten Relais (Ral, Ra2) bestehende Kaskade enthält, bei der der von dem Sensor gelieferte Impuls zunächst die Aktivierung des ersten Relais (Ral) und dieses durch Schließen des ihm zugeordneten Schalters (Si) die über eine RC-Glied tC1, R1) verzögerte Aktivierung des zweiten, die verzögerte Wiedereinschaltung der Wechselstromquelle (9) bewirkenden Relais (Ra2) bedingen.
4.) Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g-e k e n n -z e i c h n e t , daß die Relaiskaskade ein weiteres, durch das zeite Relais (Ra2) beaufschlagtes Relais (Ra3) enthalt, dessen Erregerspule mit einem durch eine Diode (D7) mit begrenzter Burchbruchspannung gegen Entladung geschützten Kondensator C2 zu tinem Ladekreis zusammengefaßt ist, und das zwei Schalter S7 betätigt, von denen der erst die Abschaltung der Induktionsheizspule von der Wechselspannungsquelle (9), der zweite den Erregungszustand des dritten Relais (Ra3) aufrecht erhält und blockiert.
5.) Vorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die mit der Erregerspule des dritten Relais (Ra3) und dem dieser zugeordneten Ladungsspeicherkondensator (C2) zugeordnete Diode (D7) als Germaniumdiode ausgebildet ist.
6.) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Eingangsstufe der Reaktivierungsstufe (8) durch eine monostabile Kippschaltung gegeben ist, deren stabiler Betriebszustand mit der eingeschalteten Wechselstromquelle und deren nicht stabiler Betriebszustand mit dem ausgeschalteten Betriebszustand der Wechselstromquelle (9) gekoppelt ist.
7.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß für die Ausgangsstufe der Reaktlvierngsstufe (8) ein die Anzahl der tberschlage registrierender Zähler vorgesehen und beim Erreichen einer vorgegebenen Maximalzahl von Durchschlägen zur endgültigen Abschaltung der Wechselstromquelle (9) befähigt ist.