DE2823891A1

DE2823891A1 - Vorrichtung zur beeinflussung der form der phasengrenzflaechen fest/fluessig beim herstellen von versetzungsfreien siliciumeinkristallstaeben durch tiegelfreies zonenschmelzen

Info

Publication number: DE2823891A1
Application number: DE19782823891
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-05-31
Filing date: 1978-05-31
Publication date: 1979-12-13
Also published as: DE2823891C2

Description

Vorrichtung zur Beeinflussung der Form der Phasengrenz-
flächen Best/Flüssig beim Herstellen von versetsungsfreien Siliciumeinkristallstäben durch tiegelfreies Zonenschmelzen Die vorliegende Patentanmeldung betrifft eine Vorrichtung zur Beeinflussung der Form der Phasengrenzflächen Fest/Flüssig beim Herstellen von versetzungsfreien Siliciumeinkristallstäben mit Durchmessern größer 50 mm durch tiegelfreies Zonenschmelzen in Schutzgasatmosphäre.
Aus der deutschen Auslegeschrift 1 182 207 ist ein Verfahren zur Herstellung von versetzungsarmen Halbleiterkristallen durch tiegelfreies Zonenschmelzen bekannt, bei dem zur Beeinflussung der Form der Phasengrenzflächen Fest/Flüssig die Geschwindigkeit der Schmelzzone relativ zum Halbleiterstab so bemessen wird, daß das Verhältnis Stabdurchmesser (in mm) zu Geschwindigkeit der Schmelzzone (in mm/min) etwa 5 beträgt. Bei diesem Verfahren wird angestrebt, daß eine schwach konvex gekrümmt Erstarrungsfront entsteht und dadurch der radiale Temperaturgradient im Halbleitermaterial sehr niedrig gehalten wird. In unmittelbarer Nähe der Erstarrungsfront sind dann die Wärmespannungen am geringsten und der an dieser Stelle entstehende Einkristallstab wird mit möglichst wenig Versetzungen erzeugt.
In der deutschen Patentanmeldung 28 13 760.2 (= VPA 78 P 1049) ist eine Vorrichtung zur Beeinflussung der Form der Phasengrenzflächen Fest/Flüssig beim tiegelfreien Zonenschmelzen von versetziungsfreien Siliciumeinkri stall stäben vorgeschlagen worden, welche aus einem, aus gut wärmeleitendem Material bestehenden Eühlkörper besteht, der mindestens doppelt so hoch wie die Schmelzzone ist und unter Ausnutzung der in der Zonenschmelzkammer herrschenden Schutzgasatmosphäre eine Gasströmung in Richtung Einkristall unterhalb der Schmelzzone erzeugt. Durch diesen Kühlkörper wird der axiale Temperaturgradient vergrößert und dadurch erreicht, daß beim Ziehen von sehr dicken Siliciumeinkri stallstäben eine möglichst wenig gekrümmte Erstarrungsfront gebildet wird.
R.L. Collins (J. Cryst. Growth 42 (1977) Seiten 490 -492) beschreibt einen Kühlring unterhalb der Schmelzspule zum zusätzlichen Kühlen des wachsenden Kristalls zwecks Vermeidung von Wülsten bei dicken versetzungsfreien (lll)-Siliciumeinkristallstäben.Dabei ist aber der Kühlflng an die Ärgongasversorgung angeschlossen, so daß ständig erhebliche Mengen von Reinstargon verbraucht werden.
Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht ebenfalls in der Vermeidung von unregelmäßig ausgebildeten Wachstumsflächen an den Mantelflächen, insbesondere in Form von Wülsten bei versetzungsfreien (lll)-Siliciumeinkristallstäben.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß eine, den rekristallisierenden Stabteil ringförmig umgebende Blasvorrichtung, die in Richtung der Stabachse Gasaustrittsöffnungen aufweist, mit einem, außerhalb der Zonenschmelskammer angeordneten vakuumdichten Gebläse über eine Druckleitung verbunden ist und daß an das Gebläse eine durch die Zonenschmelzkammerwand vakuumdicht hindurchgeführte Saugleitung angeschlossen ist.
Durch diesen geschlossenen Inertgas-Kühlkreislauf zur Kühlung des wachsenden Einkristallstabes, in welchen zur zusätzlichen Kühlung des Gasstromes in der Druckleitung ein Wärmeaustauschersystem eingebaut werden kann, wird erreicht, daß stets das gleiche Inertgas verwendet wird, also kein Mehrverbrauch an teurem Inertgas auftritt und daß immer der gleiche Reinheitsgrad gewahrleistet ist und keine Verunreinigungen aus den Inertgasvorratsflaschen in die Zonenschmelskammer und damit auch in die Schmelzzone eingeschleppt werden können.
Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden an einem Ausführungsbeispiel anhand der in der Zeichnung befindlichen Figur, welche im Schnitt einen Siliciumstab während des tiegelfreien Zonenschmelzens in einem Rezipienten darstellt, noch näher erläutert.
In einem für das tiegelfreie Zonenschmelzen vorgesehenen Rezipienten 2 befindet sich ein senkrecht stehender, an seinen Enden in Halterungen 3 und 4 eingespannter Siliciumkristallstab 5. Eine Heizeinrichtung, welche aus einer mit Hcchfrequenz gespeisten Induktionsheizspule 6 mit einer vakuumdichten Durchführung 7 besteht, erzeugt im Siliciumstab eine Schmelzzone 9, welche den rekristallisierten Stabteil 5a von dem Vorratsstabteil (5) trennt. In die Halterung 4 ist ein Keimkristall 11, der beispielsweise in (lll)-Richtung orientiert ist, eingespannt. Dieser weist zum rekristallisierten Stabteil 5a hin eine flaschenhalsförmige Verengung 12 lauf.
Unterhalb der Schmelzzone 9 wird der rekristallisierte Stabteil 5a konzentrisch von einer Blasvorrichtung 10 in Form eines, zu einem Ring gebogenen Metallrohres umgeben, welches in Richtung zur Stabachse Gasaustrittsöffnungen 13 aufweist (teilweise aufgeschnitten dargestellt). Dieser Ring 10 ist über eine, durch die Zonenschmelzkammerwand 2 hindurchgefilhrte Druckgasleitung 14 mit einem vakuumdichten Gebläse 15 verbunden, welchem über eine Saugleitung 16 kühles Gas aus der Zonenschmelzkammer 2 zugeführt wird. Eine zusätzliche Kühlung des der Blasvorrichtung 10 in der Zonenschmelskammer 2 wieder zugeführten Gasstromes wird durch einen, in der Druckgasleitung 14 eingebauten Wärmeaustauscher 17 erreicht.
Durch die Pfeile 18 soll die Gasströmungsrichtung angezeigt werden. Als Inertgase werden Edelgase, insbesondere Argon oder Wasserstoff oder Gemische davon verwendet.
1 Figur 3 Patentansprüche

Claims

Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Beeinflussung der Form der Phasengrenzflächen Best/FlAssig beim Herstellen von versetzungsfreien Siliciumeinkristallstäben mit Durch messern größer 50 mm durch tiegelfreies Zonenschmelzen in Schutzgasatmosphäre, g e k e n n z e i c h -n e t d u r c h eine, den rekristallisierenden Stabteil ringförmig umgebende Blasvorrichtung, die in Richtung der Stabachse Gasaustrittsöffnungen aufweist und mit einem, außerhalb der Zonenschmelzkammer angeordneten, vakuumdichten Gebläse huber eine Druckgasleitung verbunden ist und durch eine an das Gebläse angeschlossene, durch die Zonenschmelzkammerwand vakuumdicht hindurchgeführte Saugleitung.
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 die ringförmige Blasvorrichtung aus einem gebogenen Metallrohr besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, g e k e n n -z e i c h-n e t d u r c h ein, in der Druckgasleitung angeordnetes Wärmeaustauschersystem.