DE3007394A1

DE3007394A1 - Verfahren und vorrichtung zum tiegelfreien zonenschmelzen eines siliciumstabes

Info

Publication number: DE3007394A1
Application number: DE19803007394
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

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 mittels einer Induktionsheizspule erzeugte Schmelzzone durch den Siliciiumstab 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, können 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 Induktionsspule, 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 und/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 der des polykristallinen Stabes mit Hilfe einer Induktionsheizspule angeschmolzen.
Beim Zonenschmelzen von dicken Siliciumstäben werden zum Erzeugen der Schmelzzone erhebliche Hochfrequenzleistungen umgesetzt. Durch Stoßionisation kommt es daher gelegentlich zu Überschlägen im Bereich der Induktionsheizspule, die erhebliche Beschädigungen an Spulen und anderen Anlagenteilen verursachen. Um solche Beschädigungen zu vermeiden sind beispielsweise aus der DE-OS 22 04 441 und der DE-PS 26 37 939 Vorrichtungen bekannt, die beim Auftreten von Überschlägen im Bereich der Induktionsheizspule automatisch den Hochfrequenzgenerator abschalten.
Es hat sich nun gezeigt, daß Beschädigungen der Induktionsheizspule und anderer kostspieliger Bauteile nicht nur durch Überschläge im Bereich der Induktionsheizspule, sondern auch durch mechanische BerUhrungen der Spule durch die Ziehachsen oder den Siliciumstab hervorgerufen werden können. So kann beispielsweise bei einem Ausfall des Hochfrequenzgenerators der relativ zur Heizspule bewegte Siliciumstab, dessen AuBendurchmesser im allgemeinen größer als der Innendurchmesser der Heizspule ist, Heizspule und Stromzuführungen erheblich beschädigen. Durch Fehlbedienung der Anlage geschieht es gelegentlich, daß die Heizspule durch die Ziehachsen angefahren wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, hier Abhilfe zu schaffen und ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Siliciumstäben vorzusehen, bei dem beim Auftreten von Pannen oder bei Fehlbedienungen Schäden an der Induktionsheizspule und anderen Bauteilen verhindert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beim Auftreten eines mechanischen Druckes auf die Induktionsheizspule mindestens eine der mit den Stabhalterungen verbundenen Antriebseinrichtungen abgeschal- tet wird.
Vorteilhafterweise wird beim Auftreten eines in axialer Richtung wirkenden mechanischen Druckes auf die Induktionsheizspule mindestens eine der mit den Stabhalterungen verbundenen Antriebseinrichtungen abgeschaltet und/oder - falls die Induktionsheizspule axial verschiebbar ausgeführt ist - beim Auftreten eines mechanischen Druckes auf die Induktionsheizspule die Antriebseinrichtung der Induktionsheizspule abgeschaltet.
Der mechanische Druck auf die Induktionsheizspule kann durch den Siliciumstab oder durch eine Stabhalterung ausgeübt werden.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß bei durch den mechanischen Druck auf die Induktionsheizspule bedingten Anderungen der Lage der Stromzuführung zur Induktionsheizspule mindestens eine der mit den Stabhalterungen verbundenen Antriebseinrichtungen abgeschaltet wird, daß die Lageänderungen über einen mit der Stromzufthrung starr verbundenen Hebelarm erfaßt werden, daß bei Positionsänderungen des mit der Stromzuführung verbundenen Hebelarms ein elektrisches Signal außgelöst wird, daß bei Positionsänderungen des mit der Stromzuführung verbundenen Hebelarms mittels einer lichtempfindlichen Zelle ein elektrisches Signal ausgelöst wird und daß bei durch den mechanischen Druck auf die Induktionsheizspule bedingten Änderungen der mechanischen Spannungen der Stromzuführung zur Induktionsheizspule mindestens eine der mit den Stabhalterungen verbundenen Antriebseinrichtungen abgeschaltet wird.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorteilhaft so ausgestaltet, daß ein evakuierbarer und/oder mit Schutzgas füllbaren Rezipient vorgesehen ist, in dem ein Siliciumstab senkrecht gehaltert ist, daß eine die relativ zum Siliciumstab axial verschiebbare Schmelzzone erzeugende Induktionsheizspule vorgesehen ist und daß Mittel zum Abschalten mindestens einer der mit den Stabhalterungen verbundenen Antriebseinrichtungen beim Auftreten eines, insbesondere in axialer Richtung wirkenden mechanischen Druckes auf die Induktionsheizspule vorgesehen sind.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß Mittel zum Abschalten des Antriebs der Induktionsheizspule vorgesehen sind, daß an der Stromzuführung zur Induktionsheizspule ein mit dieser starr verbundener Hebelarm angebracht ist, daß der Hebelarm am außerhalb des Rezipienten befindlichen Ende der Stromzuführung angebracht ist, daß im von der Stromzuführung entfernten Bereich des Hebelarms ein elektrischer Schalter angeordnet ist, daß ein durch Positionsänderungen des Hebelarms auslosender elektrischer Schalter angeordnet ist und daß im von der Stromzuführung entfernten Bereich des Hebelarms mindestens eine lichtempfindliche Zelle- angebracht --ist.
In Weiterbildungen der Erfindung ist vorgesehen, daß die Stromzuführung mit einem Piezogeber verbunden ist, daß die Stromzufuhrung mit einem Dehnungsmeßstreifen verbunden ist und daß im Bereich der Stromzuführung mindestens eine auflageänderungen der Stromzuführung ansprechende lichtempfindliche Zelle angeordnet ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figur näher erläutert. Die Figur zeigt im Schnittbild ein AusfUhrungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der Figur befinden sich in einem fUr das tiegelfreie Zonenschmelzen vorgesehenen Rezipienten 5 ein senkrecht stehender Siliciumstab 2. Der Siliciumstab 2 ist an seinem oberen Ende mittels der Halterung 12 gehaltert.
Die Halterung 12 kann über die Achse 11, die mittels einer Dichtung 17 gasdicht durch den Rezipientendeckel geführt ist, angehoben, abgesenkt oder um die vertikale Achse gedreht werden. Eine als Flachspule ausgebildete Induktionsheizspule 3, die über eine als HF-Durchfuhrung 4 ausgebildete Stromzuführung, die mittels einer Dichtung 19 gasdicht durch die Rezipientenwand geführt ist,mit einem HF-Generator 6 verbunden ist, erzeugt eine Schmelzzone 13, aus der ein Siliciumeinkristallstab 1 gezogen wird. Am unteren Ende dieses rekristallisierten Stabteiles 1 ist der eingangs erwähnte Keimkristall 14 zu sehen. Der Keimkristall 14 und damit der rekristallisierte Stabteil 1 sind am oberen Ende der unteren Ziehwelle 16, die mittels einer Dichtung 18 gasdicht durch den Rezipientenboden geführt ist, in einer Halterung 15 gehaltert, die ebenfalls angehoben, abgesenkt oder um die vertikale Achse gedreht werden kann.
Am außerhalb des Rezipienten befindlichen Ende der HF-Durchführung 4 ist starr und vorzugsweise rechtwinklig zur Durchführung 4 ein Hebelarm 7 angeordnet. Am von der Durchführung 4 entfernten Ende des Hebelarms 7 ist eine Einrichtung angeordnet, die ein Signal zum Auslösen einer zum Abschalten der - in der Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellten - Antriebe der Achsen 11 und 16 geeigneten Abschaltelektronik 20 abzugeben vermag.
Eine entsprechende Einrichtung kann eine lichtempfindliche Zelle wie z. B. eine Fotodiode, ein Fototransistor oder ein Fotothyristor sein, es ist aber auch möglich, am entsprechenden Ende des Hebelarms 7 einen beispielsweise mittels einer Befestigung 9 am HF-Generator 6 befestigten Mikroschalter 8 vorzusehen, der beim Abweichen des Hebelarms 7 von seiner Normallage über Leitungen 1u ein elektrisches Signal zu einer Abschalten elektronik 20 gibt.
Die Vorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung arbeitet wie folgt: Bei einem axialen Druck' auf die Schmelzspule 3, der beispielsweise bei einer Fehlbedienung des Ziehwellenantriebs möglich ist, wird die RF-Durchführung 4 verbogen. Dadurch verändert auch das von der Durchführung 4 entfernte Ende des beispielsweise geerdeten Hebelarms 7 seine Position, kontaktiert den Schalter 8 und löst so die Abschaltelektronik aus, so daß mindestens einer der Antriebe der Wellen 11 und 16 abgeschaltet wird.
Auf diese Weise werden bei Pannen oder bei Fehlbedienung wirksam Beschädigungen der Spule 3 oder der HF-Durchführung 4 vermieden.
Beispiel: Bei einem Ausführungsbeispiel, das einen 40 cm langen Hebelarm 7 aufweist, der am außerhalb des Rezipienten 5 befindlichen Ende der HF-DurchfUhrung 4 in 70 cm Ent-Sernung vom Mittelpunkt des Siliciumstabes 2 rechtwinkelig und starr an der Durchführung 4 angebracht ist, genügen axiale Verschiebungen der Schmelzspule 3 von 0,2 mm nach oben oder nach unten, um einen am Ende des Hebelarms 7 angeordneten Mikroschalter 8 sicher und reproduzierbar auszulösen.
ähnlich gute Resultate sind zu erzielen, wenn am außerhalb des Rezipienten 5 befindlichen Ende der HF-Durchführung 4 ein Piezogeber oder ein Dehnungsmeßstreifen befestigt ist. Die von diesen Sensoren aufgrund der änderung der mechanischen Spannung der HF-Durchführung 4 im Falle eines Verbiegens der Durchführung 4 abgegebenen Signale können direkt zu einer geeigneten Abschalt- elektronik 20 geleitet werden.
Bei Verwendung einer nicht starr angeordneten sondern axial verschiebbaren Induktionsheizspule 3 empfiehlt es sich, beim Auftreten eines mechanischen Druckes auf die Induktionsheizspule 3 auch den Antrieb fUr die axiale Verschiebung der Heizspule 3 abzuschalten.
Selbstverständlich kann zusätzlich zu den geschilderten Maßnahmen beim Auftreten eines mechanischen Druckes auf die Schmelzspule auch ein akustisches oder optisches Warnsignal ausgelöst werden.
1 Figur 20 Patentansprüche Leerseite

Claims

Patentansprtche 1. Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines in einem evakuierten oder mit Schutzgas gefüllten Rezipienten senkrecht gehalterten Siliciumstabes, bei dem eine mittels einer Induktionsheizspule erzeugte Schmelzzone durch den Siliciumstab der Länge nach geftihrt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß beim Auftreten eines mechanischen Druckes auf die Induktionsheizspule mindestens eine der mit den Stabhalterungen verbundenen Antriebs einrichtungen abgeschaltet 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 beim Auftreten eines in axialer Richtung wirkenden mechanischen Druckes auf die Induktionsheizspule mindestens eine der mit den Stabhalterungen verbundenen Antriebseinrichtungen abgeschaltet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß beim Auftreten eines mechanischen Druckes auf die Induktionsheizspule die Antriebseinrichtung der Induktionsheizspule abgeschaltet wird.
4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n II z e i c h n e t , daß der mechanische Druck auf die Induktionsheizspule durch den Siliciumstab ausgeübt wird.
5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der mechanische Druck auf die Induktionsheizspule durch eine Stabhalterung ausgeübt wird.
6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß bei durch den mechanischen Druck auf die Induktionsheizspule bedingten Änderungen der Lage der Stromzufuhrung zur Induktionsheizspule mindestens eine der mit den Stabhalterungen verbundenen Antriebseinrichtungen abgeschaltet wird.
7. Verfahren nach wenigstens einem der AnsprUche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Lageänderungen über einen mit der Stromzufuhrung starr verbundenen Hebelarm erfaßt werden.
8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß bei Positionsänderungen des mit der Stromzuführung verbundenen Hebelarms ein elektrisches Signal ausgelöst wird.
9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß bei Positionsänderungen des mit der Stromzuführung verbundenen Hebelarms mittels einer lichtempfindlichen Zelle ein elektrisches Signal ausgelöst wird.
10. Verfahren nach wenigstens einem.der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß bei durch den mechanischen Druck auf die Induktionsheizspule bedingten Änderungen der mechanischen Spannung der Stromzuführung zur Induktionsheizspule mindestens eine der mit den Stabhalterungen verbundenen Antriebseinrichtungen abgeschaltet wird.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein evakuierbarer und/oder mit Schutzgas füllbaren Rezipient vorgesehen ist, in dem ein Siliciumstab senkrecht gehaltert ist, daß eine die relativ zum Siliciumstab axial verschiebbare Schmelzzone erzeugende Induktionsheizspule vorgesehen ist und daß Mittel zum Abschalten mindestens einer der mit den Stabhalterungen verbundenen Antriebseinrichtungen beim Auftreten eines, insbesondere in axialer Richtung wirkenden mechanischen Druckes auf die Induktionsheizspule vorgesehen sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Mittel zum Abschalten des Antriebs der Induktionsheizspule vorgesehen sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, d a d u r ch g e k e n n z e i c h n e t , daß an der Stromzuführung zur Induktionsheizspule ein mit dieser starr verbundener Hebelarm angebracht ist.
14. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 11 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 Hebelarm am außerhalb des Rezipienten befindlichen Ende der Stromzufürrung angebracht ist.
15. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß im von der Stromzufürrung entfernten Bereich des Hebelarms eine elektrischer Schalter angeordnet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß ein durch Positionsänderungen des Hebelarms auslösender elektrischer Schalter angeordnet ist.
17. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß im von der Stromzuführung entfernten Bereich des Hebelarms mindestens eine lichtempfindliche Zelle-angebracht ist.
18. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Stromzuführung mit einem Piezogeber verbunden ist.
19. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß'die Stromzuführung mit einem Dehnungsmeßstreifen verbunden ist.
20. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß im Bereich der Stromzuführung mindestens eine auf Lageänderungen der Stromzuführung ansprechende lichtempfindliche Zelle angeordnet ist.