DE2829772A1

DE2829772A1 - Verfahren und vorrichtung zur durchfuehrung eines schmelzvorganges in einer fliessenden zone bei halbleitermaterialien

Info

Publication number: DE2829772A1
Application number: DE19782829772
Authority: DE
Inventors: Noel De Leon
Original assignee: Topsil AS
Current assignee: Topsil GlobalWafers AS
Priority date: 1977-07-07
Filing date: 1978-07-06
Publication date: 1979-01-25
Also published as: DK142586C; JPS5418477A; DK306377A; JPS6054917B2; DK142586B; US4292487A

Description

DipL-Phys. O.E. Weber d-₈ Mönchen 71

Patentanwalt Hofbrunnstraße 47

V Telefon: (089)7915050

Telegramm: monopolweber manchen

W 853

Topsil A/S
Linderupvej 4

3600 Frederikssund
Dänemark

Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung eines Schmelzvorganges in einer fließenden Zone bei Halbleitermaterialien

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Die Erfindung betrifft allgemein eine Veredelung oder Meinung eines Halbleitermaterials und bezieht sich insbesondere auf die Auslösung und die Durchführung eines Induktionsheizvorganges, der bei einem derartigen Veredelungsverfahren durchgeführt wird.

Bei allgemein bekannten Verfahren treten erhebliche Schwierigkeiten auf, die sich durch Wärmeschocks ergeben, welche dadurch auftreten, daß aufgrund einer plötzlichen Abnahme des spezifischen Widerstandes des Halbleitermaterials starke Temperaturerhöhungen vorkommen. Ein solcher Wärmeschock kann erhebliche Probleme dadurch hervorrufen, daß ein polykristalliner Stab zerstört wird.

Der Erfindung liegt die Aufgab e zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs näher genannten Art zu schaffen, welche bei gutem Wirkungsgrad dennoch das Auftreten eines Wärmeschocks mit seinen nachteiligen Folgen verhindert.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale.

Gemäß der Erfindung ist der wesentliche Vorteil erreichbar, daß zwar in einer Anfangsphase dem Halbleitermaterial mit gutem Wirkungsgrad Energie zugeführt werden kann und nach Überwindung einer kritischen Phase wiederum eine weitere starke Aufheizung mit entsprechendem Wirkungsgrad erreicht werden kann, ohne daß die bisher unvermeidbaren Wärmeschocks auftreten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist vorgesehen, daß die Energiequelle derart ausgebildet ist, daß sie in einer ersten Betriebsart mit konstantem Strom arbeitet, um dem Halbleiterstab Energie zuzuführen,

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damit die Temperatur des Halbleiterstabes auf eine Temperatur unterhalt des Schmelzpunktes erhöht wird, und daß weiterhin eine zweite Betriebsart vorgesehen ist, in welcher die Anordnung mit konstanter Spannung arbeitet, um die Temperatur des Halbleiterstabes weiter anzuheben.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

3fig. 1 ein vereinfachtes Schaltschema, welches die Oszillatorversorgungsanordnung gemäß der Erfindung veranschaulicht,

i'ig. 2 eine grafische Darstellung, welche die Veränderung im spezifischen Widerstand des Siliziums als !Funktion der Temperatur veranschaulicht, und

U¹Xg. 3 vergleichende grafische Darstellungen, welche die Temperaturzunähme für alternative Methoden bei der induktiven Aufheizung des Siliziums zeigen.

Die !'ig. 1 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung, welche dazu dient, die induktive Heizung eines Halbleiters bei einem Fließzonen-Feinungsprozeß gemäß der Erfindung zu veranschaulichen. Bei der in der S¹Xg. 1 dargestellten Vorrichtung 10 stellt die Triode 12 das Schwingungselement für die Schaltung dar. Die Kathode der Triode 12 ist mit der Leitung 14- verbunden, welche auf Nassepotential liegt. Das Gitter der Triode 12 ist mit einer ersten Klemme 16 der Gxttervorspannungsschaltung 18 verbunden. Eine zweite Klemme der Gxttervorspannungsschaltung 18 ist mit der Masseleitung 14· verbunden. Die Anode der Triode 12 ist mit der Leitung 20 verbunden, welche mit einer ersten Klemme des Kondensators 24-

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verbunden ist und die einen ersten Ausgang der Energieversorgung 38 darstellt. Eine zweite Ausgangsklemme der Energieversorgung 38 ist mit der Leitung 21 verbunden, welche mit einer ersten Klemme des Widerstandes 22 verbunden ist und ebenfalls mit einer ersten Klemme der Steuerschaltung 26. Eine zweite Klemme des Widerstandes 22 ist mit der Ilasseleitung 14 verbunden, welche auch mit einer zweiten Klemme der Steuerschaltung 26 verbunden ist. Die zweite Klemme des Kondensators 24 ist mit der Leitung 28 verbunden, welche eine erste Eingangsklemme des Oszillatorschwingkreises 30 darstellt. Eine zweite Eingangsklemme des Oszillatorschwingkreises 30 ist mit der Masseleitung 14 verbunden. Der Ausgang des Oszillatorschwingkreises 30 ist eine Induktionsheizspule 32, welche in ihren physikalischen Abmessungen derart ausgebildet ist, daß sie einen Teil des Halbleitermaterials 3^ umgibt, welches induktiv aufgeheizt werden soll. Der Ausgang der Steuerschaltung 26 ist mit der Energieversorgung 38 über die Leitung 40 verbunden. Um die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung zu verstehen, sind zunächst diejenigen Eigenschaften zu betrachten, welche entsprechende Halbleitermaterialien aufweisen. Die Pig. 2 veranschaulicht solche Eigenschaften für den Pail des Siliziums. Die Pig. 2 zeigt die Beziehung zwischen dem spezifischen Widerstand des Siliziums und seiner Temperatur in Porm einer schematischen grafischen Darstellung, in welcher der natürliche Logarithmus des spezifischen Widerstandes über dem Reziprokwert der Temperatur aufgetragen ist. Wie aus der Pig. 2 ersichtlich ist, ist bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes (bei etwa T = 1100 ⁰C) der spezifische Widerstand des Siliziums eine klare logarithmische Punktion. Beim Schmelzpunkt (T = 1420 ⁰C) ändert sich der spezifische Widerstand des Siliziums rasch von einem Anfangswert p. « 17OO x 10 0hm χ Zentimeter auf einen Endwert von P₂ = 81 χ 10 0hm x Zentimeter. Dieser scharfe Abfall im spezifischen Widerstand hat eine erhebliche Bedeutung,

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wenn eine Induktionsheizeinrichtung, wie sie in der Fig. dargestellt ist, bei einem Fließzonen-Schmelzvorgang des Siliziums verwendet wird. Dieser Effekt tritt auf, weil die Menge an HF-Energie, welche aus der Induktionsheizspule in das Halbleitermaterial 34- eingekoppelt wird, umgekelirt proportional ist zu dem spezifischen Widerstand des Halbleitermaterials 34-. Wenn daher verschiedene Bereiche oder Schichten des Halbleitermaterials den Schmelzpunkt erreichen, bewirkt die Sprungfunktion eine Abnahme im spezifischen Widerstand, wodurch eine entsprechende Zunahme der effektiven Menge an Energie bewirkt wird, welche in das Material eingekoppelt wird, so daß der Schmelzvorgang dadurch erleichtert wird. Wenn die zur Einkopplung zur Verfugung stehende Energie nicht begrenzt ist, führt der Beschleunigungseffekt, welcher durch eine lokalisierte Schmelzung auftritt, zu einem sehr raschen Schmelzen der "Zone", welche von dem Induktionsheizelement 32 umgeben wird.

Die Fig. 3 veranschaulicht den beschleunigten Effekt in der Temperaturcharakteristik 100, welche zeigt, in welcher Weise bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 die Heizwirkung erreicht wird, wenn die Energieversorgung 38 in einer Betriebsart arbeitet, bei welcher eine konstante Spannung beibehalten wird. Bei dieser Betriebsart mit konstanter Spannung wird der einzige Begrenzungseffekt bei der Energie, welche durch die Schwingung der Lexstungsoszxllatortrxode 12 hervorgerufen wird, welche mit der Induktionsheizspule 32 über den Oszillatorschwingkreis 30 gekoppelt ist, durch die schließlich erreichte Impedanz des Systems gegeben, und zwar in Abhängigkeit vom spezifischen Widerstand des Halbleitermaterials 34-· Somit wird gemäß Fig. 3 der Beschleunigungseffekt, welcher beim Einsetzen des Schmelzens beim Silizium auftritt, zur Bildung einer geschmolzenen Zone in sehr kurzer Zeit führen (etwa 3 Sekunden für die Temperaturcharakteristik 100).

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Wie oben "bereits diskutiert wurde, erzeugt diese sehr rasche Aufheizung ernsthafte Warmeschocks, welche Probleme in der empfindlichen physikalischen Anordnung hervorrufen können, die bei solchen Vorgängen oft verwendet werden, die als Fließzonen-Veredelungsvorgang - oder Feinungsvorgang - bezeichnet werden können. Als Beispiel kann die Anordnung dienen, durch welche Keimkristalle mit geschmolzenen polykristallinen Siliziumstäben vereinigt werden, um einen Prozeß in Gang zu setzen, durch den ein monokristallines Werkstück mit größerem Durchmesser aus dem Keimkristall wachsen kann. Die Wärmeschocks, die durch die Auslösung der Induktionsheizung auftreten können, welche eine Energiequelle mit konstanter Spannung verwendet, wie es durch die Temperaturcharakteristik iOO gemäß Fig. 3 veranschaulicht ist, können schwerwiegende Probleme hervorrufen, beispielsweise eine Zerstörung eines verhältnismäßig leicht zerbrechbaren Zuführungsstabes.

Die H¹Xg. 3 veranschaulicht auch eine zweite Temperaturcharakteiistik 102, welche ein wesentlich allmählicheres Ansteigen der Temperatur über der Zeit darstellt. Diese Charakteristik ergibt sich bei einem Betrieb der Vorrichtung gemäß Fig. 1 , bei welchem der Strom begrenzt ist oder konstant gehalten wird. Bei einer derartigen Arbeitsweise wird beim Einsetzen des Schmelzens im Halbleitermaterial 34 der spezifische Widerstand vermindert, und es wird die "Kopplung" erhöht, d. h. die Menge der HF-Energie, welche übertragen wird, wird dadurch gesteuert, daß der Strom begrenzt wird, welcher der Anode der Lexstungsoszxllatortriode 12 mit konstantem Wert zugeführt wird. Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 veranschaulicht eine spezielle Art, diese Strombegrenzung durch die Verwendung eines Fühlerwider Standes 22 durchzuführen, welcher zwischen der zweiten Ausgangsleitung 21 der Energieversorgung 38 und der Masseleitung 14 angeordnet ist. Die Leitung 21. und die Masseleitung 14 stellen eine Verbindung mit einer Steuerschaltung 26 her, so daß dann, wenn der der Triode 12 zugeführte Anodenstrom den

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vorgeschriebenen Grenzwert erreicht, die Spannung, welche an dem Fühlerwiderstand 22 abfällt und der Steuerschaltung 26 zugeführt wird, ein Steuersignal erzeugt wird, welches der Energieversorgung 38 über die Leitung 40 zugeführt wird. Das Steuersignal auf der Leitung 40 regelt bzw. steuert die innere Betriebsweise der Energieversorgung 38 in an sich bekannter Weise, um die ordnungsgemäße Spannung an die Ausgangsleitung 36 zu liefern, wie es erforderlich ist, um den konstanten Stromwert für die Anode der Leistungstriode 12 aufrechtzuerhalten. Die in der Fig. 3 dargestellte Charakteristik veranschaulicht eine spezielle Arbeitsweise der Vorrichtung gemäß Fig. 1, bei welcher der an die Anode der Triode 12 gelieferte Strom beispielsweise auf den Bereich zwischen 1 und 1,5 Ampere begrenzt ist. Mit dieser Strombegrenzung wird nur eine begrenzte Energie auf die Induktionsheizspule 32 übertragen, so daß der Temperaturanstieg des Halbleitermaterials 34 langsam und regelmäßig vonstatten geht und vorzugsweise etwa eine Minute oder mehr benötigt, um von 500 C auf ein Temperaturniveau von etwa 1100 C anzusteigen, wie es durch die Charakteristik/der Fig. dargestellt ist. Diese Art der induktiven Heizung eliminiert die Wärmeschockprobleme, die oben diskutiert wurden und ist somit eine wesentlich zweckmäßigere Arbeitsweise. Sobald ein stabiles Temperaturniveau erreicht ist, kann die Arbeitsweise der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung derart verändert werden, daß die Energieversorgung 38 mit konstanter Spannung arbeitet, wie es an sich für das Fließzonen-Veredelungsverfahren oder -Feinungsverfahren bei Halbleitern üblich ist. Dieser Wechsel in der Arbeitsweise kann entweder manuell oder durch die Steuerschaltung 26 erfolgen.

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Claims

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1. Vorrichtung zur Durchführung des Eließzoneiischmelzens bei Halbleiterstäben, wobei der Stab in vertikaler Sichtung an beiden Enden eingeklemmt ist und eine geschmolzene Zone in dem Stab durch eine den Stab umgebende Induktionsheizspule erzeugt wird, wobei die Spule mit dem Resonanzkreis eines Oszillators verbunden ist, der seinerseits mit einer elektronischen Steuereinrichtung zur Steuerung der Energiezufuhr für den Resonanzkreis verbunden ist, und wobei die elektronische Steuereinrichtung mit einer Energieversorgungseinrichtung verbunden ist, dadurch gekennz eichnet, daß die Energiequelle derart ausgebildet ist, daß sie in einer ersten Betriebsart mit konstantem Strom arbeitet, um dem Halbleiterstab Energie zuzuführen, damit die Temperatur des Halbleiterstabes auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes erhöht wird, und daß weiterhin eine zweite Betriebsart vorgesehen ist, in welcher die Anordnung mit konstanter Spannung arbeitet, um die Temperatur des Halbleiterstabes weiter anzuheben.

2. Vorrichtung nach Anspruch Ί, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerschaltung vorgesehen ist, welche die Arbeitsweise der Energiequelle aus der ersten Betriebsart, in welcher mit konstantem Strom gearbeitet wird, in die zweite Betriebsart umschaltet, in welcher mit konstanter Spannung gearbeitet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle einen ersten Ausgang aufweist, welcher mit der elektronischen Steuereinrichtung verbunden ist,

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und einen, zweiten Ausgang hat, der über einen Fühlerwiderstand mit einer Bezugsspannung verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem Fühlerwiderstand gebildete Spannung der Steuerschaltung zugeführt wird, um eine Veränderung von der ersten in die zweite Betriebsart vorzunehmen.

5· Vorrichtung, bei welcher Halbleitermaterial in einer fließenden oder schwimmenden Zone zum Schmelzen gebracht wird, wobei eine mit dem Resonanzkreis eines Oszillators verbundene Induktionsheizspule verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle, welche den Oszillator erregt, mit begrenztem Strom während der anfänglichen Phase der induktiven Heizung betrieben wird, um die Menge der auf die Induktionsheizspule übertragenen Energie zu steuern, so daß dadurch das Maß des Temperaturanstieges des Halbleitermaterials gesteuert wird.

6. Vorrichtung, bei welcher das Maß des Temperaturanstiegs in der fließenden Zone des geschmolzenen Halbleitermaterials dadurch gesteuert wird, daß eine induktive Heizspule mit dem Resonanzkreis einer Oszillatorschaltung verbunden ist, wobei weiterhin eine elektronische Steuereinrichtung mit einer Energiequelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle mit einem begrenzten Strom betrieben wird, wenn die induktive Heizung in der Anfangsphase wirksam wird.

7· Vorrichtung zum Durchführen eines Schmelzvorganges bei einem Halbleitermaterial in einer fließenden Zone, wobei eine Induktionsheizspule vorhanden ist, die mit dem Resonanzkreis eines Oszillators verbunden ist, der seinerseits mit einer Energiequelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,

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daß der Schmelz vor gang in der fließenden Zone dadurch, ausgelöst wird, daß die Energiequelle in einer Betriebsart arbeitet, bei welcher der Strom begrenzt ist, so daß dadurch die Menge der auf die Induktionsheizspule übertragenen Energie begrenzt wird und demgemäß auch das Maß bzw. die Geschwindigkeit, mit welcher die Temperatur ansteigt.

8. Verfahren zur Auslösung der Meinung eines Halbleitermaterials in einer fließenden Zone, wobei eine Vorrichtung verwendet wird, welche eine Induktionsheizspule zur Aufheizung des Halbleitermaterials verwendet, wobei die Induktionsheizspule das Material umgibt und die Induktionsheizspule durch einen Oszillator betrieben wird,der eine umschaltbare Energiequelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltbare Energiequelle mit konstantem Strom betrieben wird, um das Halbleitermaterial auf eine Temperatur unterhalb seines Schmelzpunktes zu bringen, und daß die umschaltbare Energiequelle mit konstanter Spannung betrieben wird, um das Halbleitermaterial anschließend auf höhere Temperaturen zu bringen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Steuerschaltung zur Steuerung der Arbeitsweise der umschaltbaren Energiequelle zu beeinflussen, und wobei ein Fühlerwiderstand in Reihe mit einem Ausgang der umschaltbaren Energiequelle angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein Eingangssignal von dem Eeihenwiderstand erzeugt wird, welches der Steuerschaltung zugeführt wird, um die Arbeitsweise der umschaltbaren Energiequelle aus dem Konstantstrommodus in den KonstantSpannungsmodus auszulösen.

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