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Verfahren zum besseren Aufschmelzen des Vorratsstabes
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beim tiegelfreien Zonenschmelzen Die vorliegende Patentanmeldung betrifft
ein Verfahren zum besseren Aufschmelzen des Vorratsstabes beim tiegelfreien Zonenschmelzen
eines lotrecht gehalterten Halbleiterkristallstabes, insbesondere eines Siliciumkristallstabes,
bei dem die Schmelzzone durch eine den Stab ringförmig umgebende, als Flachspule
ausgebildete Induktionsheizspule erzeugt wird, deren Innendurchmesser kleiner als
der aufzuschmelzende Vorratsstabteil ist.
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Beim tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleiterkristallstäben mit
größeren Durchmessern mit Hilfe einer Flachspule, beispielsweise bei Siliciumstäben
mit mehr als 40 mm Durchmesser, neigen die aufzuschmelzenden, meist polykristallinen
Kristallstäbe zuweilen dazu, Spitzen am Stabumfang in Form einer Zackenkrone oder
"Nasen" auszubilden, wenn sie in den Bereich der Schmelzspule gelangen, die nicht
aufschmelzen, sondern vielmehr,
wenn sie mit der Spule in Kontakt
kommen, einen Kurzschluß zwischen Spule und Stab verursachen und den Zonenschmelzprozeß
sofort unterbrechen.
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Bei dünnen Stäben kann man das Zusammentreffen einer "Spitze" oder
"Nase" mit dem Innenrand der Induktionsheizspule dadurch unterbinden, daß man die
Spule in horizontaler Richtung verschiebt. Diese Möglichkeit ist nicht mehr gegeben,
wenn dicke Vorratsstäbe aufgeschmolzen werden müssen und deshalb die Schmelzzone
stark eingeschnürt werden muß. In diesem Fall kann man nur den Zonenschmelzprozeß
durch Auseinanderziehen der Stabenden abbrechen.
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Eine Möglichkeit, die Ausbildung der Spitzen am Rand der aufzuschmelzenden
Grenzflächen zu verhindern, besteht darin, daß man den Vorratsstabteil mit einer
zusätzlichen Induktionsheizspule - wie in der deutschen Patentschrift 1 275 966
beschrieben - beheizt. Dies ist aber wegen der auftretenden Verkopplung technisch
schwierig zu realisieren.
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Eine weitere Möglichkeit ist dadurch gegeben, daß man, wie in der
deutschen Offenlegungsschrift 26 30 366 bereits beschrieben, den Vorratsstabteil
im Bereich des Schmelzzonenrandes zusätzlich zur Induktionsheizspule durch Strahlungsenergie,
insbesondere in Form von energiereicher Lichtstrahlung, zum Beispiel durch Laserstrahlen
aufschmilzt.
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Beim Ubergang-auf sehr große Stabdurchmesser (größer 70 mm), bei denen
zur Herstellung der Einkristalistäbe aus ökonomischen Gründen auch Vorratsstäbe
mit relativ großen Stabdurchmessern verwendet werden, die dann noch
mittels
einer Induktionsheizspule mit kleinerem Innendurchmesser als der aufzuschmelzende
Stabteil zonengeschmolzen und zusätzlich aufgestaucht werden, versagen die bislang
bekannten Aufschmelzmethoden.
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Die vorliegende Erfindung schafft hier Abhilfe und ist durch ein Verfahren
der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Schmelzzonenrandes
des Vorratsstabteils mindestens teilweise ein hoher Gradient des Spulenfeldes erzeugt
wird und der rekristallisierte Stabteil undloder der Vorratsstabteil während des
Zonenschmelzens in Rotation um ihre Längsachse versetzt werden.
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Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung2 daß der hohe Feldgradient
durch einen, im Bereich der Heizspule angeordneten, mit einem Kiiblmittel versehenen
Kurzschlußring, bestehend aus elektrisch gut leitendem Material erzeugt wird, der
mindestens eine in Richtung Vorratsstabteil, entgegengesetzt der Ziehrichtung sich
erstreckende Ausbuchtung aufweist. Dabei kann auch gemäß einem Ausführungsbeispiel
ein, aus einem mäanderförmig gebogenen, gut leitendem Metallrohr bestehender, mit
Kühlmittel durchflossener Kurzschlußring verwendet werden.
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Durch den erfindungsgemäßen Kurzschlußring wird das Feid der Heizspule
in der Weise beeinflußt, daß die Heizwirkung im Bereich der Ausbuchtung(en) erhöht
wird.
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Durch die Rotation des Stabes kommt jeder Bereich des Schmelzzonenrandes
in den Bereich der Ausbuchtung, also erhöhter Heizwirkung, und es wird ein gleichmäßiges
Aufschmelzen gewährleistet.
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Es liegt auch im Rahmen des Erfindungsgedankens, daß der hohe Feldgradient
durch ein, mit der InduRtionsheizspule bzw. deren Zuführungen fest verbundenen,
mäanderförmig zu einem Ring gebogenen, wassergekühlten Kupfer- oder Silberrohr erzeugt
wird. Bei dieser Anordnung fließt im Gegensatz zu den oben beschriebenen Ausführungsformen
der Strom in Phase mit dem Spulenstrom.
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Weitere Möglichkeiten der Feldbeeinflussung der Heizspule sind dadurch
gegeben, daß die als einwindige Flachspule ausgebildete Induktionsheizspule mit
einem, sich zur Spulenmitte hin verjüngenden Spulenschlitz ausgestattet ist oder
mit einem schräg in Richtung Schmelzzone verlaufenden Spulenschlitz versehen ist.
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Dabei erweist es sich immer als zweckmäßig, die Kühlung und den Speisestrom
bevorzugt nach innen zu führen.
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Durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist die Möglichkeit
gegeben, bei Verwendung von Vorratsstäben von mehr als 80 mm Durchmesser Siliciumeinkristallstäbe
mit Durchmessern von 100 mm und darüber und Längen von mehr als 1000 mm ohne Schwierigkeiten
und versetzungsfrei zonenzuschmelzen.
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Weitere Einzelheiten werden im Folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen
und der Fig. 1 bis 6 noch näher erläutert. Dabei zeigen die Fig. 1 und 2 die Verwendung
eines mit einer Ausbuchtung versehenen Kurzschlußringes beim Zonenschmelzen eines
Siliciumkristallstabes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;
Fig.
3 und 4 stellen mit der Induktionsheizspule verbundene mäanderförmig zu einem Ring
gebogene Ausführungsformen dar und die Fig. 5 und 6 zeigen einwindige Flachspulen
mit speziellen Schlitzausführungen.
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In der Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 der Vorratsstabteil eines
polykristallinen Siliciumstabes dargestellt, welcher in einen Siliciumeinkristallstab
2 durch Ziehen aus der mit dem Bezugs zeichen 3 bezeichneten Schmelze gezogen wird.
Die Schmelzzone 3, welche die beiden Stabteile 1 und 2 miteinander verbindet, wird
erzeugt durch die als Flachspule ausgebildete Induktionskeizspule 4. Der Impfling
ist unterhalb der Spule angeordnet. Während des Aufschmelzens des Vorratsstabteils
1 bilden sich an dessen, der Schmelzzone 3 zugewandten Rand Spitzen ur.d Nasen infolge
der grobkörnigen Struktur des polykristallinen Materials aus, welche durch die an
dem über der Induktionsheizspule 4 in der Ebene der oberen Fest/Flüssig-Grenze angeordneten
Kurzschlußring 5 befindliche Ausbuchtung 6 (Schmelzohr) infolge der dort örtlich
auftretenden höheren Heizleistung aufgeschmolzen werden. Da der Vorratsstabteil
1 in Rotation um seine Längsachse, dargestellt durch den Drehpfeil 7, versetzt wird,
werden die an der oberen Grenzfläche Flüssig/Fest auftretenden Nasen aufgeschmolzen,
noch bevor sie in den Bereich der Induktionsheizspule gelangen. Der erfindungsgemäße
Kurzschlußring 5, welcher schwenkbar, ggf. auch höhenverstellbar ausgebildet ist,
besteht aus einem, mit Kühlwasser durchflossenen Kupferrohr, dessen Enden durch
eine Lötstelle 8 miteinander verbunden sind.
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In Fig. 2, welche einen Längsschnitt durch die Fig. 1 darstellt, gelten
die gleichen Bezugszeichen wie in
Fig. 1. Die Induktionsheizspule
4 (sog. Lochpfannkuchenspule) kann auch teilbar ausgebildet sein. Wie aus den Fig.
1 und 2 zu ersehen ist, wird der Siliciumstab 1 im Bereich der Schmelzzone 3 stark
eingeschnürt.
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Ausführunsbeisiel zu Fig. 1 und 2: Durchmesser des Vorratsstabteils
1 = 80 bis 100 mm Durchmesser des rekristallisierten Stabteils 2 = 80 bis 100 mm
Innendurchmesser der Spule = 36 mm Außendurchmesser der Spule = 150 mm Rotation
des Vorratsstabteils 1 = 5 UpM (mindestens 2 UpM).
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In der Fig. 3 ist eine einwindige, als Flachspule ausgebildete Induktionsheizspule
11 dargestellt, bei der der hohe Feldgradient am oberen Schmelzzonenrand durch ein,
mit der Induktionsheizspule 11 durch Lötstellen 13 fest verbundenes, mäanderförmig
zu einem Ring 12 gebogenes, wassergekühltes Kupfer- oder Silberrohr erzeugt wird.
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Fig. 4 zeigt eine ähnliche Ausführungsform wie Fig. 3.
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Der Unterschied besteht darin, daß der mäanderförmig gebogene Ring
12 freischwebend über der Spule 11 angeordnet ist und die Zuführungen 14 für Kühlwasser
und Hochfrequenz hinten am Spulenklötzchen 15 angeschlossen sind.
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In Fig. 5 ist eine einwindige Flachspule 21 (sog. Lochpfannkuchenspule)
dargestellt, bei der zur Beeinflussung des Spulenfeldes der Spulenschlitz 22 schräg
in Richtung der Schmelzzone verläuft. Dadurch wird eine größere Verweilzeit des
Stabrandes im Schlitzbereich gewährleistet.
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Fig. 6 zeigt ebenfalls eine einwindige Flachspule 31 mit einem sich
zum Innenrand der Spule hin verjüngenden Schlitz 32. Durch zusätzlich eingebrachte
Schlitze 33 und 34 wird eine bessere Stromführung erzwungen und dadurch in diesem
Bereich eine höhere Heizleitung erreicht. Der Vorratsstabteil muß in Rotation um
seine Längsachse versetzt werden.
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6 Figuren 7 Patentansprüche