DE2640641A1

DE2640641A1 - Verfahren zum einstellen einer stabilen schmelzzone beim tiegelfreien zonenschmelzen eines halbleiterkristallstabes

Info

Publication number: DE2640641A1
Application number: DE19762640641
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Rer Nat Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-09-09
Filing date: 1976-09-09
Publication date: 1978-03-16
Also published as: DE2640641C3; DE2640641B2

Description

Verfahren zum Einstellen einer stabilen Schmelzzone beim tiegel-
freien Zonenschmelzen eines Halbleiterkristallstabes.
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zum Einstellen einer stabilen Schmelzzone beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines Halbleiterkristallstabes, insbesondere eines versetzungsfreien Siliciumeinkristallstabes, mit Stabdurchmessern größer 30 mm.
Ein Verfahren zum Einstellen einer in Bezug auf ihre äußere Formgebung stabile Schmelzzone ist aus der DT-PS 1 097 956 bekannt.
Bei diesem Verfahren wird die Stabilität der Schmelzzone dadurch erhalten, daß eine von einer Strahlungsheizquelle erzeugte Schmelzzone um ihre Achse mit einer vom oberen Teil der geschmolzenen Zone nach deren unteren Teil hin abnehmenden Winkelgeschwindigkeit so rasch gedreht wird, daß infolge der dabei auftretenden Zentrifugalkraftverteilung die aufgrund des Schweredrucks zu erwartende Einschnürung der geschmolzenen Zone vermieden wird.
Durch die unterschiedliche Drehung der einzelnen, sich senkrecht zur Achse der geschmolzenen Zone erstreckenden Schichten wird auch die Zentrifugalbelastung dieser Schichten unterschiedlich.
Sie nimmt von oben nach unten kontinuierlich ab. Der durch sie hervorgerufene Druck überlagert sich dem Schweredruck und bestimmt zusammen mit diesem und der Oberflächenspannung das Profil der geschmolzenen Zone.
Beim bekannten Verfahren wird der angestrebte Rotationszustand der geschmolzenen Zone dadurch erhalten, daß die beiden festen, die geschmolzene Zone tragenden Stabteile um ihre Achse mit derartigen Geschwindigkeiten gedreht werden, daß in der geschmolzenen Zone ein Gefälle der Rotationsgeschwindigkeit von oben nach unten auftritt und die Zentrifugalkraft in der Lage ist, den Ausgleich des Profils der geschmolzenen Zone zu bewirken.
Eine solche Rotation zur Einstellung der Stabilität läßt sich nicht mehr durchführen, wenn Kristallstäbe mit relativ großen Durchmessern (größer 30 mm oder sogar größer 100 mm) durch das Zonenschmelzen hergestellt werden, weil die in der Schmelze wirkenden Zentrifugalkräfte und Unwuchten viel zu groß werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, bei dem auch bei der Herstellung von Stäben mit großen Durchmessern (größer 75 und 100 mm) die Stabilität der Schmelzzone gewährleistet ist und damit die Möglichkeit gegeben ist, versetzungsfreies Kristallmaterial zu erhalten.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gelöst, daß bei Verwendung einer einwindigen Induktionsheizspule zum Erzeugen der Schmelzzone der Innendurchmesser der Spule kleiner als der Durchmesser des der Schmelzzone zugeführten Stabteils eingestellt wird und daß die äußere Schmelzzonenhöhe bei einem Stabdurchmesser des rekristallisierten Stabteils im Bereich von 30 bis 50 mm auf einen Wert zwischen 15 und 23 mm, im Bereich von 50 bis 75 mm auf einen Wert zwischen 18 und 26 mm und bei einem Stabdurchmesser größer 75 mm auf einen Grenzwert von 32 mm eingestellt wird. Die äußere Schmelzzonenhöhe wird umso kritischer, je größer der Stabdurchmesser ist.
In der Figur ist die Beziehung zwischen der äußeren Schmelzzonenhöhe und dem Kristallstabdurchmesser aufgezeigt. Dabei zeigt die Ordinate die äußere Schmelzzonenhöhe und die Abszisse den Kristallstabdurchmesser in mm an. Die gestrichelt eingezeichneten senkrechten Linien zeigen den entsprechenden Spuleninnendurchmesser an. Wie man dem in der Figur dargestellten Kurvenverlauf entnehmen kann, strebt die Schmelzzonenhöhe mit zunehmendem Stabdurchmesser einem Grenzwert zu, der bei Stäben mit Durchmessern größer als 100 mm bei Werten < 32 mm erreicht ist. Oberhalb dieses Wertes ist keine stabile Zone mehr einstellbar. Bei kleinen Stabradien (ungefähr 20 mm) wächst die maximale Schmelzzonenhöhe drekt proportional dem Radius, während sie für große Durchmesser einem konstanten Wert zustrebt. Dies würde bedeuten, daß die Herstellung von einkristallinen Halbleitermaterialstäben, insbesondere von versetzungsfreien Siliciumeinkristallstallstäben, mit Durchmessern großer 150 mm durch das tiegelfreie Zonenschmelzverfahren nicht mehr möglich ist, weil keine stabile Schmelzzone mehr erhalten werden kann.
Die Stabilität der Schmelzzone nach den erfindungsgemäßen Terfahren wird noch weiter verbessert, wenn außerdem noch folgende Bedingungen eingehalten werden: 1. Der Durchmesser des der Schmelzzone zugeführten Stabteils soll nicht größer als 100 mm sein, weil sonst Schwierigkeiten beim Aufschmelzen des Stabrandes auftreten; 2. es ist zweckmäßig, eine einwindige Flachspule mit sich nach außen erweiterndem Querschnitt zum Erzeugen der Schmelzzone zu verwenden, weil dadurch Spannungsüberberschläge durch die kleine Induktivität vermieden werden und außerdem eine günstige Feldverteilung und eme gute Kühlung ermöglicht wird; 3. der Innendurchmesser der Spule soll nicht mehr als 45 mm betragen, weil sonst zu lange stabile Schmelzzonen entstehen; 4. beim Übergang auf große Stabdurchmesser empfiehlt es sich, eine teilbare Induktionsheizspule zu verwendens damit dicke Stäbe in die Vorrichtung leichter aus- und eingebaut werden können; 5. die Stabteile werden während des Zonenschmelzens in Rotation um ihre Achsen versetzt, wobei die Rotation des rekristallisierten, untenliegenden Stabteils auf 5 UpM, die des der Schmelze zugeführten, obenliegenden Vorratsstabteils auf 2 UpM eingestellt wird. Diese Werte stehen in keinem Verhältnis zu den verwendeten Rotationsgeschwindigkeiten des in dem bekannten Patent beschriebenen Verfahrens.
Ausführungsbeispiel: Durchmesser des herzustellenden versetzungsfreien Siliciumeinkristallstabes 75 mm Durchmesser des Vorratsstabes 75 mm Innendurchmesser der Induktionsheizspule 36 mm Außendurchmesser der Induktionsheizspule 130 mm Höhe der Spule innen 2 mm Hohe der Spule außen 20 mm Rotation der oberen Stabhalterung 2 UpM Rotation der unteren Stabhalterung 5 UpM.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Siliciumeinkristallstäbe zeigten bei zylindrischem Wachstum über die gesamte Stablänge einen konstanten Querschnitt; in Bezug auf die Kristallqualität waren die hergestellten Stäbe auch bei Durchmessern von 70 mm und darüber fast versetzungsfrei.
8 Patentansprüche ? Figur

Claims

Patentansprüche.

1. Verfahren zum Einstellen einer stabilen Schmelzzone beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines Halbleiterkristallstabes mit einem Stabdurchmesser größer 30 mm, insbesondere eines versetzungsfreien Siliciumeinkristallstabes, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß bei Verwendung einer einwindigen Induktionsheizspule zum Erzeugen der Schmelzzone der Innendurchmesser der Spule kleiner als der Durchmesser des der Schmelzzone zugeführten Stabteils eingestellt wird und daß die äußere Schmelzzonenhöhe bei einem Stabdurchmesser des rekristallisierten Stabteils im Bereich von 30 - 50 mm auf einen Wert zwischen 15 und 23 mm eingestellt wird.

2. Verfahren zum Einstellen einer stabilen Schmelzzone beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines Halbleiterkristallstabes mit einem Stabdurchmesser größer 50 mm, insbesondere eines versetzungsfreien Siliciumeinkristallstabes, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , daß bei Verwendung einer einwindigen Induktionsheizspule zum Erzeugen der Schmelzzone der Innendurchmesser der Spule kleiner als der Durchmesser des der Schmelzzone zugeführten Stabteils eingestellt wird und daß die äußere Schmelzzonenhöhe bei einem Stabdurchmesser des rekristallisierten Stabteils im Bereich von 50 - 75 mm auf einen Wert zwischen 18 und 26 mm eingestellt wird.

3. Verfahren zum Einstellen einer stabilen Schmelzzone beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines Halbleiterkristallstabes mit einem Stabdurchmesser größer 75 mm, insbesondere eines versetzungsfreien Siliciumeinkristallstabes, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß bei Verwendung einer einwindigen Induktionsheizspule zum Erzeugen der Schmelzzone der Innendurchmesser der Spule kleiner als der Durchmesser des der Schmelzzone zugeführten Stabteils eingestellt wird und daß die äußere Schmelzzonenhöhe auf einen Grenzwert von 32 mm eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 - 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Durchmesser des der Schmelzzone zugeführten Stabteils nicht größer als 100 mm eingestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 - 4 , d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß eine einwindige Flachspule mit sich nach außen erweiterndem Querschnitt verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 - 5 , d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß eine Spule verwendet wird, deren Innendurchmesser nicht größer als 45 mm ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1 - 6 , d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß eine teilbare Spule verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 - 7 , d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Stabteile während des Zonenschmelzens in Rotation um ihre Stabachse versetzt werden, wobei die Rotation des rekristallisierten, untenliegenden Stabteils auf 5 UpM und die des der Schmelze zugeführten, obenliegenden Vorratsstabteils auf 2 UpM eingestellt wird.