DE3007377C2

DE3007377C2 -

Info

Publication number: DE3007377C2
Application number: DE19803007377
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.Rer.Nat. 8000 Muenchen De Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-02-27
Filing date: 1980-02-27
Publication date: 1989-02-09
Also published as: JPS56134595A; DE3007377A1; JPH024558B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zonenschmelzverfahren dienen bekanntlich sowohl zum Rei gen von Halbleitermaterial als auch zum Einkristallzüch ten mit Hilfe eines angeschmolzenen Keimkristalls. Bei einem solchen Verfahren wird, wie beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 23 43 779 bekannt, ein kristalli ner Stab an seinen beiden Enden eingespannt und lotrecht gehaltert. Die beiden Halterungen, die an lotrechten Wel len befestigt sind, können um ihre Achsen gedreht und - wenn z. B. der Stabquerschnitt beim Zonenschmelzen ver ändert werden soll - in vertikaler Richtung verschoben werden. Eine Heizeinrichtung - im allgemeinen eine Induk tionsheizspule - 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 sel ber 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 In duktionsheizspule 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 deutschen Auslegeschrift 10 79 593 bekannt, den Quer schnitt des Halbleiterstabes in unmittelbarer Nähe der Verschmelzungsstelle mit dem Keimkristall zu verengen. In dem dadurch entstandenen dünnen, flaschenhalsförmigen Verbindungsstück zwischen Keimkristall und Halbleiterstab können im Keimkristall vorhandene Versetzungen ausheilen.

Bei der Herstellung von Siliciumstäben mit großem Stab durchmesser, beispielsweise 10 cm, treten im rekristalli sierten Stabteil erhebliche Wärmespannungen auf, die nach dem Abkühlen zu Risse führen können. Das Auftreten sol cher Wärmespannungen kann z. B., wie in der deutschen Offenlegungsschrift 25 57 186 beschrieben, dadurch ver ringert werden, daß ein wärmereflektierender Schirm min destens den rekristallisierenden Stabteil koaxial umgibt und diesen nachheizt. Allerdings besteht zwischen unterem Rand des wärmereflektierenden Schutzschirmes und dem re kristallisierenden Siliciumstabteil eine ringförmige Öff nung, durch die Wärmestrahlung entweichen kann. Ein opti males Nachheizen ist deswegen mit dieser Vorrichtung nur bedingt möglich.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, eine Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen zu schaffen, die den rekristallisierenden Siliciumstabteil beim Zonen schmelzen optimal nachheizt und so das Auftreten von Wär mespannungen im rekristallisierenden Siliciumstabteil vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß der Schutzteller die untere Ziehachse vor Beschädigungen schützt, wie z. B. in der DE-AS 15 19 907 beschrieben. So kann beispielsweise beim Auf treten von Erschütterungen der flaschenhalsförmige Ansatz zwischen Keimkristall und rekristallisiertem Stab abbre chen und der heruntergefallende rekristallisierte Stab die Ziehachse beschädigen. Gelegentlich kann auch aus der Schmelzzone die Schmelze abtropfen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figur näher erläutert. Die

Figur zeigt im Schnittbild ein Ausfüh rungsbeispiel für einen Schutzmantel und einen Schutztel ler in einer ausschnittsweise dargestellten Zonenschmelz anlage.

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 Verbin dungsleitung 14 und eine HF-Durchführung 2 mit einem in der Figur nicht dargestellten HF-Generator verbunden ist, erzeugt eine Schmelzzone 8, aus der ein Siliciumeinkri stallstab 4 gezogen wird. Am unteren Ende dieses rekri stallisierten Stabteiles 4 sind der eingangs erwähnte flaschenhalsförmige Übergang 10 und der Keimkristall 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 Übersichtlichkeit in der Figur nicht dar gestellt.

Am oberen Ende der unteren Ziehwelle 11 ist waag recht ein kreisförmiger Schutzteller 6 konzentrisch zur Achse der Ziehwelle 11 angebracht. Dieser Schutzteller 6 ist mindestens auf seiner dem Siliciumstab zugewandten Seite mit einer Wärmestrahlung reflektierenden Schicht versehen. Der Schutzteller kann z. B. aus Aluminium oder Silber gefertigt sein.

Als Wärmestrahlung reflektierendes Mittel kann ein Schutzmantel 7 den auskristallisierten Stab teil 4 koaxial umgeben. Der Schutzmantel 7 ist zylinderförmig ausgeführt, andere Formen mit z. B. eckigen oder ovalen Querschnitt können aber ebenfalls zur Anwendung kommen. Der Innendurchmesser des Schutzmantels 7 ist beispiels weise 10 bis 60 mm größer als der Durchmesser des Schutz tellers 6. Durch diese Anordnung wird auf einfache Weise verhindert, daß zwischen Schutzmantel 7 und dem Schutz teller 6 Siliciumteile durchfallen und die Ziehwelle 11 beschädigt wird. Die Länge des Schutzmantels 7 kann in etwa der Länge des herzustellenden Siliciumstabes ent sprechen, um sicherzustellen, daß auch gegen Ende des Zo nenschmelzprozesses Beschädigungen der Ziehwelle 11 ver hindert werden.

Der obere Bereich der Innenseite des Schutzmantels 7 wird ganz oder von seiner Oberkante 20 bis 50 cm abwärts rei chenden Bereich hochglanzpoliert oder mit einer reflek tierenden Folie, z. B. einer Aluminiumfolie, ausgeklei det. 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 ver ringert. Als Herstellungsmaterial für den Schutzmantel 7 sind beispielsweise Aluminium oder Silber geeignet.

Die Verbindungsleitung 14 zwischen Induktionsheizspule 3 und HF-Durchführung 2 ist von der Durchführung 2 aus gehend 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 Verbindungsleitung 14 nicht geknickt sondern gekrümmt auszuführen. Dies hat den Vorteil, daß durch die geknickte Ausführung der Verbindungsleitung 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 eben falls so anzuordnen, daß der Schutzmantel 7 bis zur Induktionsheizspule 3 heraufgezogen werden kann.

Bei feststehender Induktionsheizspule 3 wird der Schutz mantel 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 Rezipien ten 1 im entsprechenden Bereich hochglanzzupolieren oder mit einer reflektierenden Folie auszukleiden.

Claims

1. Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines Silicium stabes in einem evakuierbaren oder mit Schutzgas füllbaren Re zipienten mit

a) einer oberen und einer unteren Stabhalterung,
b) einer Induktionsheizspule (3) für den Siliciumstab (5), die
c) relativ zueinander in axialer Richtung verschiebbar sind,
d) Wärmestrahlung reflektierende Mittel, die den rekristalli sierten Stabteil (4) koaxial umgeben,

dadurch gekennzeichnet, daß

e) am oberen Ende der unteren Ziehwelle (11) ein kreisförmiger, mindestens auf seiner dem Siliciumstab (5) zugewandten Seite mit einer Wärmestrahlung reflektierenden Schicht versehener Schutzteller (6) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schutzteller (6) aus Aluminium oder Silber besteht.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmestrahlung reflektie rendes Mittel ein zylinderförmiger Schutzmantel (7) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der Durchmesser des Schutztellers (6) 10 bis 60 mm kleiner als der Innendurchmesser des Schutzmantels (7) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Innenwand des Rezipienten (1) mindestens teilweise hochglanzpoliert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Innenwand des Rezipienten (1) mindestens teilweise mit einer reflektierenden Folie ausge kleidet ist.