DE3007377A1

DE3007377A1 - Verfahren und vorrichtung zum tiegelfreien zonenschmelzen eines siliciumstabes

Info

Publication number: DE3007377A1
Application number: DE19803007377
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.rer.nat. 8000 München Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-02-27
Filing date: 1980-02-27
Publication date: 1981-09-03
Also published as: DE3007377C2; JPS56134595A; JPH024558B2

Description

Verfahren und Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmel-
zen eines Siliciumstabes.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines in einem evakuierten oder mit Schutzgas gefüllten Rezipienten senkrecht gehalterten Siliciumstabes, bei dem eine induktiv erzeugte Schmelzzone durch den Siliciumstab der Länge nach geführt wird.
Zonenschmelzverfahren dienen bekanntlich sowohl zum Reinigen von Halbleitermaterial als auch zum Einkristallzüchten mit Hilfe eines angeschmolzenen Keimkristalls. Bei einem solchen Verfahren wird, wie beispielsweise aus der DE-PS 23 43 779 bekannt, ein kristalliner Stab an seinen beiden Enden eingespannt und lotrecht gehaltert. Die beiden Halterungen, die an lotrechten Wellen befestigt sind, kennen um ihre Achsen gedreht und - wenn z. B. der Stabquerschnitt beim Zonenschmelzen verändert werden soll - in vertikaler Richtung verschoben werden. Eine Heizeinrichtung - im allgemeinen eine Induktionsheizspule - dient dazu, im Stab eine Schmelzzone zu erzeugen. Um die Schmelzzone durch den Stab der Länge nach hindurchzuführen können entweder bei feststehender Heizeinrichtung die obere und die untere Stabhalterung parallel verschoben werden oder die Heizeinrichtung selber kann axial verschiebbar ausgeführt sein.
Zur Herstellung von einkristallinen Stäben wird in der Regel am unteren Ende eines polykristallinen Stabes ein einkristalliner Keimkristall mit geringerem Durchmesser als dem des polykristallinen Stabes mit Hilfe einer Induktionsheizspule angeschmolzen. Anschließend werden - ausgehend von der Anschmelzstelle - ein oder mehrere mittels der Induktionsheizspule erzeugte Schmelzzonen durch den Halbleiterstab bewegt. Um die Versetzungen im entstehenden Halbleiterstab zu verringern ist es aus der DE-AS 10 79 593 bekannt, den Querschnitt des Halbleiterstabes in unmittelbarer Nähe der Verschmelzungsstelle mit dem Keimkristall zu verengen. In dem dadurch entstandenen dünnen, flaschenhalsförmigen Verbindungsstück zwischen Keimkristall und Halbleiterstab konnen im Keimkristall vorhandene Versetzungen ausheilen.
Bei der Herstellung von Siliciumstäben mit groBem Stabdurchmesser, beispielsweise 10 cm, treten im rekristallisierten Stabteil erhebliche Wärmespannungen auf, die nach dem Abkühlen zu Rissen führen können. Das Auftreten solcher Wärmespannungen wird in der Regel durch aufwendige Nachheizeinrichtungen vermieden.
Bei während des Ziehvorgangs auftretenden Pannen besteht ferner die Gefahr, daß die untere Ziehachse beschädigt wird. So kann beispielsweise beim Auftreten von Erschütterungen der flaschenhalsförmige Ansatz zwischen Keimkristall und rekristallisiertem Stab abbrechen und der herunterfallende rekristallisierte Stab die Ziehachse beschädigen. Gelegentlich kann auch aus der Schmelzzone die Schmelze abtropfen. Um Beschädigungen zu vermeiden wurde beispielsweise die untere Ziehachse mittels einer sich der vertikalen Verschiebung der Achse teleskopartig anpassenden Abdeckung geschützt. Dieses Verfahren ist Jedoch aufwendig und funktioniert aufgrund der zwischen einzelnen Abdeckungsteilen auftretenden Reibung nicht immer zuverlässig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es hier Abhilfe zu schaffen und ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Siliciumstäben vorzusehen, bei dem durch technisch einfache und wirtschaftliche MaBnahmen das Auftreten von Wärmespannungen im abkühlenden Stabteil verhindert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der rekristallisierte Stabteil durch von einem den rekristallisierten Stabteil umgebenden, insbesondere zylinderförmigen Schutzmantel reflektierte Wärmestrahlung nachgeheizt wird. Vorteilhafterweise wird der rekristallisierte Stabteil in einem Bereich, der von der Schmelzzone axial zwischen 0 und 60 cm entfernt ist, nachgeheizt.
Eine Vorrichtung zur Durchfürrung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorzugsweise so ausgeführt, daß ein evakuierbarer und/oder mit Schutzgas füllbarer Rezipient vorgesehen ist, in dem ein Siliciumstab an beiden Enden lotrecht gehaltert ist, daß eine eine relativ zum Siliciumstab axial verschiebbare Schmelzzone erzeugende Induktionsheizspule angeordnet ist und daß ein den rekristallisierten Stabteil umgebender, insbesondere zylinderförmiger Schutzmantel vorgesehen ist. Ein wirksamer Schutz der unteren Ziehachse gegen Beschädigingen kann in vorteilhafter Weise dadurch erreicht werden, daß am oberen Ende der unteren Ziehachse ein Schutzteller angebracht ist. Wird der Schutzteller zumindest auf seiner dem Siliciumstab zugewandten Seite reflektierend ausgeführt, so trägt die vom Schutzteller reflektierte Wärme strahlung ebenfalls zur Nachheizung des rekristallisierten Stabteiles bei.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß der Schutzmantel den rekristallisierten Stabteil konzentrisch umgibt, daß der Schutzmantel einen Durchmesser von 15 bis 100 cm aufweist, daß der Schutzmantel zumindest auf seiner Innenseite aus Aluminium oder Silber besteht und daß der axiale Abstand zwischen oberen Schutzmantelrand und Induktionsheizspule zwischen 0 und 10 cm und der radiale Abstand zwischen Schutzmantel und rekristallisiertem Stabteil zwischen 5 und 50 cm beträgt.
Um eine gute Wärmereflektion zu gewährleisten ist es von Vorteil, die Innenseite des Schutzmantels zu polieren oder mit einer reflektierenden, insbesondere aus Aluminium oder Silber bestehenden Folie auszukleiden.
Erfindungsgemäß kann die Innenseite des Schutzmantels in einem von seiner Oberkante 20 bis 50 cm abwärts reichenden Bereich poliert bzw. mit einer reflektierenden Folie ausgekleidet werden.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß der Schutzteller aus Aluminium oder Silber besteht, daß der Schutzteller kreisförmig ausgeführt ist, daß der Innendurchmesser des Schutzmantels 10 bis 60 mm großer als der Durchmesser des Schutztellers ist und daß die Verbindungsleitung zwischen HF-Durchführung und HF-Induktionsheizspule zum rekristallisierten Stabteil hin gekrümmt und/oder geknickt ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figur näher erläutert. Die Figur zeigt im Schnittbild ein AusfUhrungsbeispiel für einen Schutzmantel und einen Schutzteller zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die in einer ausschnittsweise dargestellten Zonenschmelzanlage eingesetzt sind.
In der Figur befindet sich in einem für das tiegelfreie Zonenschmelzen vorgesehenen Rezipienten 1 ein senkrecht stehender Siliciumkristallstab 5. Eine als Flachspule ausgebildete Induktionsheizspule 3, die über eine Verbindungsleitung 14 und eine HF-Durchführung 2 mit einem in der Figur nicht dargestellten HF-Generator verbunden ist, erzeugt eine Schmelzzone 8, aus der ein Siliciumeinkristallstab 4 gezogen wird. Am unteren Ende dieses rekristallisierten Stabteiles 4 sind der eingangs erzehnte flaschenhalsförmige Ubergang 10 und der Keimkriz stall 9 zu sehen. Der Keimkristall 9 und damit der rekristallisierte Stabteil 4 sind am oberen Ende der unteren Ziehwelle 11 gehaltert. Die obere Kristallhalterung bzw. Ziehwelle ist aus Gründen der Ubersichtlichkeit in der Figur nicht dargestellt.
Am oberen Ende der unteren Ziehwelle 11 ist waagerecht ein kreisförmiger Schutzteller 6 konzentrisch zur Achse der Ziehwelle 11 angebracht. Um eine Reaktion mit evtl.
abtropfendem flüssigen Silicium zu verhindern, sollte der Schutzteller 6 aus einem gut leitenden Material, beispielsweise Aluminium oder Silber bestehen. Ein Schutzmantel 7 umgibt den auskristallisierten Stabteil 4 konzentrisch. Der Schutzmantel 7 ist vorteilhafterweise zylinderförmig ausgeführt, andere Formen mit z. B.
eckigen oder ovalen Querschnitt können aber ebenfalls zur Anwendung kommen. Der Innendurchmesser des Schutzmantels 7 ist beispielsweise 20 mm größer als der Durchmesser des Schutztellers 6. Durch diese Anordnung wird auf technisch einfache Weise verhindert, daß zwischen dem Schutzmantel 7 und dem Schutzteller 6 Siliciumteile durchfallen und die Ziehwelle 11 beschädigen können. Die Länge des Schutzmantels 7 kann in etwa der Länge des herzustellenden Siliciumstabes entsprechen, um sicherzustellen, daß auch gegen Ende des Zonenschmelzprozesses Beschädigungen der Ziehwelle 11 verhindert werden.
Der obere Bereich der Innenseite des Schutzmantels 7, beispielsweise 20 bis 50 cm, wird hochglanzpoliert oder mit einer reflektierenden Folie, beispielsweise einer Aluminiumfolie ausgekleidet. Dies hat den Vorteil, daß die insbesondere von der Schmelzzone ausgehende Wärmestrahlung an den Innenseiten des Schutzmantels 7 reflektiert wird, den oberen Teil des rekristallisierten Stabteiles 4 nachheizt und somit in diesem Teil durch Temperaturgradienten verursachte Wärmespannungen verringert. Als Herstellungsmaterial für den Schutzmantel 7 sind beispielsweise Aluminium oder Silber geeignet.
Die Verbindungsleitung 14 zwischen Induktionsheizspule 3 und HF-DurchfUhrung 2 ist von der Durchführung 2 ausgehend nach abwärts geknickt und zwar insbesondere so, daß der unterste Punkt der Durchführung 2 in etwa dem untersten Punkt der Heizspule 3 entspricht. Es ist aber auch möglich, die Verbindungleitung 14 nicht geknickt sondern gekrümmt auszuführen. Dies hat den Vorteil, daß durch die geknickte Ausführung der Verbindungleitung 14 ermöglicht wird, den Schutzmantel 7 direkt unterhalb der Induktionsheizspule 3 anzuordnen ohne daß dieser an die HF-Durchführung 2 anstößt. Dadurch wird gerade im für Temperaturunterschiede empfindlichsten, nämlich eben rekristallisierten Stabteil die radiale und axiale Temperaturverteilung erheblich verbessert. Ist keine feststehende Induktionsheizspule 3 sondern eine axial verschiebbare Induktionsheizspule 3 vorgesehen, so sind die Verbindungsleitungen zur Stromzuführung ebenfalls so anzuordnen, daß der Schutzmantel 7 bis zur Induktionsheizspule 3 heraufgezogen werden kann.
Bei feststehender Induktionsheizspule 3 wird der Schutzmantel 7 vorteilhafterweise so angeordnet, daß der axiale Abstand zwischen oberen Schutzmantelrand und Heizspule 3 zwischen 0 und maximal 10 cm beträgt. Bei axial verschiebbarer Induktionsheizspule 3 sollte der Schutzmantel 7 in der Weise axial verschoben werden, daß der Abstand zwischen oberen Schutzmantelrand und Heizspule 3 ebenfalls axial im Bereich von 0 bis 10 cm liegt, d. h., möglichst gering ist.
Bei Verwendung eines im Durchmesser und Querschnittsform dem Schutzmantel 7 entsprechenden Rezipienten 1 ist es auch möglich, auf die Anordnung eines separaten Schutz- mantels 7 zu verzichten und die Innenwand des Rezipienten 1 im entsprechenden Bereich hochglanzzupolieren oder mit einer reflektierehden Folie auszukleiden.
1 Figur 17 Patentansprüche

Claims

Patentansprllche 1. Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines in einem evakuierten oder mit Schutzgas gestellten Rezipienten senkrecht gehalterten Siliciumstabes, bei dem eine induktiv erzeugte Schmelzzone durch den Siliciumstab der Länge nach geführt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der rekristallisierte Stabteil durch von einem den rekristallisierten Stabteil umgebenden,-insbesondere zylinderförmigen Schutzmantel reflektierte Wärmestrahlung nachgeheizt wird.
2. Verfahren 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 der rekristallisierte Stabteil in einem Bereich, der von der Schmelzzone axial zwischen 0 und 60 cm entfernt ist, nachgeheizt wird.
3. Vorrichtung zur Durchfthrung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , daß ein evakuierbarer und/oder mit Schutzgas füllbaren Rezipient vorgesehen ist, in dem ein Siliciumstab an beiden Enden lotrecht gehaltert ist, daß eine eine relativ zum Siliciumstab axial verschiebbare Schmelzzone erzeugende Induktionsheizspule angeordnet ist und daß ein den rekristallisierten Stabteil umgebender, insbesondere zylinderförmiger Schutzmantel vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß am oberen Ende der unteren Ziehwelle ein Schutzteller angebracht ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Schutzmantel den rekristallisierten Stabteil konzentrisch umgibt.
6. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der Schutzmantel einen Durchmesser von 15 bis 100 cm aufweist.
7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der Schutzmantel zumindest auf seiner Innenseite aus Aluminium oder Silber besteht.
8. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der axiale Abstand zwischen oberen Schutzmantelrand und Induktionsheizspule zwischen 0 und 10 cm beträgt.
9. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der radiale Abstand zwischen Schutzmantel und rekristallisiertem Stabteil zwischen 5 und 50 cm beträgt.
10. Vorrichtung nach wenigstens einem der AnsprUche 3 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , t daß die Innenseite des Schutzmantels poliert ist.
11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Innenseite des Schutzmantels in einem von seiner Oberkante 20 bis 50 cm abwärts reichenden Bereich poliert ist.
12. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Innenseite des Schutzmantels mit einer reflektierenden, insbesondere aus Aluminium oder Silber bestehenden Folie ausgekleidet ist.
13. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der Schutzmantel in einem von seiner Oberkante 20 bis 50 cm abwärts reichenden Bereich mit einer reflektierenden Folie ausgekleidet ist.
14. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der Schutzteller kreisförmig ausgeführt ist.
15. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der Schutzteller aus Aluminium oder aus Silber besteht.
16. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der Innendurchmesser des Schutzmantels um 10 bis 60 mm größer als der Durchmesser des Schutztellers ist.
17. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Verbindungsleitung zwischen HF-Durchführung und HF-Induktionsheizspule zum rekristallisierten Stabteil hin gekrümmt und/oder geknickt ist.