DE2640641B2 - Verfahren zum Einstellen einer stabilen Schmelzzone beim tiegelf reien Zonenschmelzen eines Halbleiterkristallstabes - Google Patents

Description

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zum Einstellen einer stabilen Schmelzzone beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines Halbleiterkristallstabes, insbesondere eines versetzungsfreien Siliciumeinkristallstabes, mittels einer einwindigen Induktionsheizspule mit einem Innendurchmesser kleiner als der Durchmesser des der Schmelzzone zugeführten Stabteils.

Ein Verfahren zum Einstellen einer in bezug auf ihre äußere Formgebung stabile Schmelzzone ist aus der DE-PS 1097956 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 wirken- > den 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 ίο als 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 die äußere Schmelzzonenhöhe bei einem Stabdurchmesser des rekristallisierten Stabteils im Bereich von 30 bis 50 mm auf einen Wert zwischen 15 und 23 mm, bei einem Stabdurchmesser des rekristallisierten Stabteils 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 um so 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 Kristallstabdurchmssser in Millimeter 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 Vi Werten < 32 mm erreicht ist. Oberhalb dieses Wertes ist keine stabile Zone mehr einstellbar. Bei kleinen Stabradien (ungefähr 20 mm) wächst die maximale Schmelzzonenhöhe direkt proportional dem Radius, während sie für große Durchmesser einem konstanten Wert zustrebt. Dies würde bedeuten, daß die Herstellung von einkristallinen Halbleitermaterialstäben, insbesondere von versetzungsfreien Siliciumeinkristallstäben, mit Durchmessern größer 150 mm durch das tiegelfreie Zonenschmelzverfahren nicht mehr möglich ist, weil keine stabile Schmelzzone mehr erhalten werden kann.

Die Stabilität der Schmelzzone nach dem erfindungsgemäßen Verfahren 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 Spannungsüberschläge durch die kleine Induktivität vermieden werden und bo außerdem eine günstige Feldverteilung und eine

gute Kühlung ermöglicht wird;
3. der Innendurchmesser der Spule soll nicht mehr als 45 mm betragen, weil sonst zu lange instabile Schmelzzonen entstehen;

_b5 4. beim Übergang auf große Stabdurchmesser empfiehlt es sich, eine teilbare Induktionsheizspule zu verwenden, damit dicke Stäbe in die Vorrichtung leichter aus- und eingebaut werden

können;

. 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

Höhe 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Einstellen einer stabilen Schmelzzone beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines Halbleiterkristallstabes, insbesondere eines versetzungsfreien Siliciumeinkristallstabes, mittels einer einwindigen Induktionsheizspule mit einem Innendurchmesser kleiner als der Durchmesser des der Schmelzzone zugeführten Stabteils, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schmelzzonenhöhe bei einem Stabdurchmesser des rekristallisierten Stabteils im Bereich von 30—50 mm auf einen Wert zwischen 15 und 23 mm, bei einem Stabdurchmesser des rekristallisierten Stabteils im Bereich von 50-75 mm auf einen Wert zwischen 18 und 26 mm und auf einen Grenzwert von 32 mm eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des der Schmelzzone zugeführten Stabteils nicht größer als 100 mm eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule einen Innendurchmesser von nicht größer als 45 mm aufweist.