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Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines Sili-
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ciumstabes.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen
eines Siliciumstabes, der in einem evakuierbaren und/oder mit Schutzgas füllbaren
Rezipienten senkrecht gehaltert ist, mit einer HF-Induktionsheizspule zum Erzeugen
einer Schmelzzone, einer gasdicht durch die Wand des Rezipienten geführten HF-DurchfUhrung
und mit Mitteln, die eine Relativbewegung zwischen HF-Induktionsheizspule und Siliciumstab
ermöglichen.
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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 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.
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Wird als Heizeinrichtung eine Hochfrequenz(HF)-Induktionsheizspule
verwendet, so werden sowohl die Leitungen
für die Zuführung des
hochfrequenten Wechselstromes als auch die Leitungen für das zur Kühlung der Heizung
benötigte Kühlwasser mittels einer gasdichten HF-Durchführung durch die Wand des
Rezipienten geführt. Eine entsprechende, in Koaxialbauweise ausgeführte Stromdurchführung
ist beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung P 29 19 988 bekannt.
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Zur Herstellung von einkristallinen Stäben wird in der Regel am unteren
Ende eines polykristallinen Stabes ein einkristalliner Keimkristall mit im Vergleich
zum polykristallinen Stab geringem Durchmesser mit Hilfe der Induktionsheizspule
angeschmolzen. Ausgehend von der Anschmelzstelle werden anschließend 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
können im Keimkristall vorhandene Versetzungen ausheilen.
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Bei der Herstellung von Siliciumstäben mit großen Stabdurchmessern,
beispielsweise 10 cm, ist es von großer Bedeutung, daß im gerade rekristallisierten
Stabteil die radiale Temperaturverteilung möglichst symmetrisch und der axiale Temperaturgradient
möglichst gering ist, da andererseits im wachsenden Einkristall erhebliche Wärmespannungen
auftreten, die nach dem Abkühlen zu Rissen führen können. Im allgemeinen wird versucht,
den axialen Temperaturgradienten durch aufwendige Nachheizeinrichtungen zu verringern.
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Eine schlechte thermische Symmetrie ist erheblich dadurch bedingt,
daß die von der glühenden Schmelzzone
und den angrenzenden Stabteilen
ausgehende Wärmestrahlung von der Rezipientenwand nicht- symmetrisch reflektiert
wird. Diese Reflexion ist insbesondere an der Stelle, an der die HF-Durchführung
durch die Rezipientenwand geführt wird, geringer als an den Ubrigen Wandteilen.
Bei herkömmlichen Zonenziehapparaturen ist die Verbindungsleitung zwischen Heizspule
und Durchführung aus elektrischen Gründen möglichst kurz ausgeführt; d. h., Spule,
Verbindungsleitung und Durchführung sind so angeordnet, daß eine gedachte waagerechte
Schnittlinie durch die Mitte der Induktionsheizspule auch durch die Mitte der Verbindungsleitung
bzw. der Durchführung führt. Dies hat zur Folge, daß sich die schlechte Wärmereflexion
an den Stellen, an denen die von der Rezipientenwand reflektierte Wärmestrahlung
durch Verbindungsleitung bzw. Durchführung "abgeschirmt" wird, gleichmäßig auf die
ober- und unterhalb der Schmelzzone befindlichen Stabteile auswirkt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es hier Abhilfe zu schaffen
und eine Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Siliciumstäben vorzusehen,
bei der die radiale und axiale Temperaturverteilung im rekristallisierten Stabteil
gegenüber den bekannten Vorrichtungen erheblich verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verbindungsleitung
zwischen HF-Durchfuhrung und HF-Induktionsheizspule in Richtung der Stabachse gekrümmt
und/oder geknickt ist. Durch diese Maßnahme wird ermöglicht, daß die durch Verbindungsleitung
und Durchführung hervorgerufene "Abschirmung" der reflektierten Wärmestrahlung sich
im wesentlichen nur auf den im allgemeinen polykristallinen Vorratsteil und nicht
auf den rekristallisierten Stabteil des Siliciumstabes auswirkt.
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Dies führt zu einer wesentlichen Erhöhung der thermischen Symmetrie
des wachsenden Einkristalls.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß die Verbindungsleitung zum rekristallisierten
Stabteil hin gekrümmt und/oder geknickt ist und daß die Verbindungsleitung so gekrümmt
und/oder geknickt ist, daß die Unterseite der Induktionsheizspule sich in etwa auf
gleicher Höhe mit dem untersten Punkt der HF-Durchfthrung befindet.
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Besonders vorteilhaft ist es, die Erfindung so weiterzubilden, daß
der rekristallisierte Stabteil mit einem, insbesondere zylinderförmigen Schutzmantel
umgeben ist, da dieser Schutzmantel aufgrund der gekrümmten bzw. geknickten Ausführung
der Verbindungsleitung in geringem Abstand von der Induktionsheizspule angeordnet
werden kann und durch Wärmereflektion zu einer erheblichen Verbesserung des axialen
Temperaturgradienten führt.
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Vorteilhaft ist es, die Zonenschmelzvorrichtung so auszuführen, 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.
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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.
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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
Die Nachheizung des rekristallisierten
Stabteiles kann noch weiter verbessert werden, wenn am oberen Ende der unteren Ziehwelle
ein Schutzteller angebracht ist, insbesondere wenn der Schutzteller zumindest auf
seiner dem Siliciumstab zugewandten Seite reflektierend ausgeführt ist.
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Die Erfindung soll im folgenden anhand der Figur näher erläutert werden.
Die Figur zeigt im Schnittbild ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In der Figur befindet sich in einem für das tiegelfreie Zonenschmelzen
vorgesehenen Rezipienten 1, dessen Ober-und Unterteil aus Gründen der Ubersichtlichkeit
nicht dargestellt ist, ein senkrecht stehender Siliciumkristallstab 5. Eine als
Flachspule ausgebildete Induktionsheizspule 3, die über eine Verbindungsleitung
14 und eine HF-DurchYUhrung 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
erwähnte flaschenhalsförmige uebergang 10 und der Keimkristall 9. Der Keimkristall
9 und damit der rekristallisierte Stabteil 4 sind am oberen Ende der unteren Ziehwelle
11 gehaltert.
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Die obere Kristallhalterung bzw. die obere Ziehwelle sind aus Gründen
der übersichtlichkeit in der Figur nicht dargestellt.
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Die Verbindungsleitung 14 zwischen Induktionsheizspule 3 und HF-Durchfiihrung
2 ist von der Durchführung 2 ausgehend so nach abwärts geknickt, 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.
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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.
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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.
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eckigem oder ovalem Querschnitt können aber ebenfalls zur Anwendung
kommen. Der Innendurchmesser des Schutzmantels 7 ist 10 bis 60 mm, vorzugsweise
20 mm größer als der Durchmesser des Schutztellers 6. Durch diese Anordnung wird
auf technisch einfache Weise verhindert, daß bei Pannen 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 Temperaturunterschiede verursachte
Wärmespannungen verringert.
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Als Herstellungsmaterial für den Schutzmantel 7 sind beispielsweise
Aluminium oder Silber geeignet.
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Ein wesentlicher Vorteil gegenüber der bekannten Vorrichtung ist es,
daß durch die geknickte Ausführung der Verbindungsleitung 14 ermöglicht wird, den
Schutzmantel 7 direkt unterhalb der Induktionsheizspule 3 anzu-
ordnen
ohne daß dieser an die HF-DurchfUhrung 2 anstößt.
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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.
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Bei feststehender Induktionsheizspule 3 wird der Schutzmantel 7 vorteilhafterweise
so angeordnet, daß der axiale Abstand zwischen oberen Schutzmantelrand und Heizspule
3 zwischen 0 und höchstens 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 höchstens 10 cm liegt, d. h., möglichst gering ist.
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Bei Verwendung eines im Durchmesser und Querschnittsform dem Schutzmantel
7 entsprechenden Rezipienten 1 ist es auch möglich auf die Anordnung eines separaten
Schutzmantels 7 zu verzichten und die Innenwand des Rezipienten 1 im entsprechenden
Bereich hochglanz zu polieren oder mit einer reflektierenden Folie auszukleiden.
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1 Figur 14 Patentansprüche