DE3613949A1 - Vorrichtung zum herstellen von einkristallinem halbleitermaterial - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von einkristallinem Halbleitermaterial aus einer Schmelzzone mit den Merkmalen:

• a) die Vorrichtung hat eine um eine vertikale Achse waag­ recht angeordnete und die Schmelzzone erzeugende Hf- Heizspule mit einer zentralen Öffnung;
• b) die Vorrichtung hat eine ein mindestens teilweise homo­ genes Gleichfeld erzeugende Anordnung;
• c) die Anordnung ist mindestens annähernd symmetrisch zur Achse der Hf-Heizspule angebracht;
• d) das Gleichfeld durchsetzt mindestens teilweise die von der Hf-Heizspule zu erzeugende Schmelzzone.

Eine solche Vorrichtung ist z.B. im Journal of Crystal Growth 62, 1983, auf den Seiten 523 bis 531 beschrieben. Die Vorrichtung dient dazu, durch tiegelfreies Zonen­ ziehen aus einem polykristallinen senkrecht angeordneten Halbleiterstab einen einkristallinen Halbleiterstab zu erzeugen. Die von einem hochfrequenten Wechselstrom durch­ flossene Hf-Heizspule verursacht in dem von ihr umschlos­ senen Raum ein sich schnell veränderndes starkes Magnetfeld, das wiederum ein elektrisches Wirbelfeld erzeugt. Um­ schließt die Hf-Heizspule z.B. einen Halbleiterstab, so führt das elektrische Wirbelfeld zur Erwärmung und schließ­ lich zum Schmelzen des Halbleiterstabes. Wird an die elek­ trisch leitende Schmelze ein magnetisches Gleichfeld ge­ legt, dessen Feldlinien senkrecht zur Ziehachse verlaufen, so kann eine Wirbelstromdämpfung der Konvektion in der Schmelze erreicht werden. Das magnetische Gleichfeld wird in der im Journal of Crystal Growth beschriebenen Vor­ richtung durch zwei unter der Hf-Heizspule angeordnete Permanentmagneten erzeugt. Wird das Zonenziehen mit dieser Vorrichtung durchgeführt, um in einem Halbleiterstab mit ungleichmäßig verteilter Dotierung eine gleichmäßige Ver­ teilung des Dotierstoffes zu erzielen, so zeigt sich, daß sich eine noch bessere Dotierstoffhomogenität des aus der Schmelze auskristallisierenden Stoffes ergibt. Das heißt, daß der Dotierstoff im Vergleich zum üblichen Zonenziehen, bei dem kein Gleichfeld an die Schmelzzone angelegt wird, gleichmäßiger über den gesamten Querschnitt des Halbleiter­ stabes verteilt ist.

Eine Homogenisierung der Dotierstoffverteilung über den ge­ samten Querschnitt des Halbleiterstabes ist nicht nur dadurch zu erzielen, daß die Schmelze teilweise mit Gleichfeldlinien senkrecht zur Ziehachse durchsetzt wird.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, eine andere Möglichkeit zu schaffen, die beschriebenen Vorteile zu erzielen und die gesamte Schmelzzone mit einem Gleichfeld zu durchsetzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merk­ male:

• e) die Anordnung ist eine zylindrische Spule;
• f) die Achse der Hf-Heizspule fällt mindestens annähernd mit der Achse der zylindrischen Spule zusammen;
• g) mindestens zwischen zylindrischer Spule und Hf-Heizspule ist eine Abschirmung aus einem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit angeordnet.

Wird die entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 angeordnete zylindrische Spule von Gleich­ strom durchflossen, so bildet sich im Inneren der Gleich­ feldspule ein homogenes magnetisches Gleichfeld. Die er­ findungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß die ge­ samte Schmelzzone von einem mindestens annähernd homogenen Gleichfeld durchsetzt wird. Homogene Magnetfelder haben die Eigenschaft, daß ihre Feldstärke räumlich konstant ist. Ein weiterer Vorteil dieser Vorrichtung ist, daß die magnetische Feldstärke, der die Schmelzzone ausgesetzt ist, ohne Schwierigkeiten variiert werden kann. Dazu muß ledig­ lich bei gegebenen Spulenparametern (z.B. Windungszahl, Spulenlänge) der durch die Spule fließende Strom erhöht bzw. erniedrigt werden.

Um den Einfluß, insbesondere durch Induktion, des von der Hf-Heizspule erzeugten hochfrequenten Wechselfeldes während des Zonenziehens auf die Spule zu vermindern, wird mindes­ tens zwischen Hf-Heizspule und zylindrischer Spule eine Abschirmung aus einem Material hoher elektrischer Leitfähig­ keit angeordnet. Diese Abschirmung ist elektrisch isoliert von der Spule und der Hf-Heizspule angeordnet.

Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den Fig. 1, 2 und 3 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel mit einer einzigen Spule,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Vorrichtung nach Fig. 1, gemäß den Schnittlinien II-II und

Fig. 3 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Hf-Heizspule und einer senkrecht zu ihrer Spulenachse geteilten Spule.

Die Anordnung nach Fig. 1 enthält eine um eine vertikale Achse waagrecht angeordnete Hf-Heizspule 4. Die Hf- Heizspule 4 hat z.B eine einzige Windung und eine zentrale Öffnung. Die Hf-Heizspule 4 kann, wie in Fig. 1 dargestellt, ein rotationssymmetrischer Hohlkörper sein, der von Kühl­ flüssigkeit durchflossen werden kann. Oberhalb der Hf-Heiz­ spule 4 befindet sich der polykristalline Halbleiterstab 1, im Spulenbereich der Hf-Heizspule 4 die Schmelzzone 3, aus der unterhalb der Hf-Heizspule 4 der Einkristall 2 aus­ kristallisiert.

Um die Schmelzzone 3 und die Schmelzzone 3 erzeugende Hf- Heizspule 4 ist eine zylinderförmige Spule 6 so angeordnet, daß die Achse der Spule 6 mindestens annähernd auch die Ziehachse ist. Der Innendurchmesser und damit die Windungs­ fläche der Spule 6 ist so groß, daß sich Hf-Heizspule 4 und Spule 6 nicht berühren. Hf-Heizspule 4 und Spule 6 sind jeweils mit Zuleitungen für die Stromversorgung versehen, die der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt sind. Die Spule 6 ist an ihrer Innenseite mit einer Ab­ schirmung aus einem Material hoher elektrischer Leitfähig­ keit, z.B. Kupfer, versehen. Diese Abschirmung 5 ist von der Gleichfeldspule elektrisch isoliert angeordnet, z.B. da­ durch, daß zwischen Spulenwicklung und Umkleidung ein Zwischenraum oder eine Isolierschicht vorhanden ist.

Zugleich berührt diese Umkleidung weder die Hf-Heizspule 4, noch den Halbleiterstab. Diese Umkleidung ist mit Kühlkanälen versehen, um eine Erhitzung zu vermeiden. In Fig. 1 sind die Einlaß- und Austrittsöffnungen für das Kühl­ mittel durch Pfeile markiert.

Beim Zonenziehen von dotierten polykristallinen Halbleiter­ stäben erzeugt die von hochfrequentem Wechselstrom durch­ flossene Hf-Heizspule 4, im Halbleiterstab eine Schmelzzone 3, aus der das geschmolzene Halbleitermaterial aus­ kristallisiert. Um eine Wirbelstromdämpfung der Konvektion in der Schmelze und damit eine große Dotierstoffhomogenität des auskristallisierenden Stoffes, vorzugsweise dotiertes Silicium zu erreichen, wird die Schmelzzone 3 zusätzlich von einem Gleichfeld durchsetzt, dessen Feldlinien parallel zur Ziehachse verlaufen. Die Abschirmung der Spule 6 mit einer leitenden Schicht 5, die z.B. aus Kupfer besteht, verhindert Verluste in der Spule 6 durch das hochfrequente Wechselfeld. Die Abschirmung der Spule 6 vom hochfrequenten Wechselfeld beeinflußt das homogene Gleichfeld nicht. Die Abschirmung 5 zwischen Hf-Heizspule 4 und Spule 6 verhindert damit, daß eine hohe Hf-Spannung in der Spule 6 induziert wird. Damit wird eine Erhitzung der Spule 6 durch Wirbelströme und eine Beeinflussung der Gleichstromversorgung durch Hochfrequenz vermieden.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist die Spule 6 senkrecht zur Ziehachse in zwei Hälften aufgeteilt, die gleichphasig mit Gleichstrom gespeist werden. Die Anordnung der einen Spulenhälfte 6 a oberhalb der Schmelz­ zone 3 und die Anordnung der anderen Spulenhälfte 6 b unter­ halb der Schmelzzone 3 ergibt eine bessere Sicht auf die Schmelzzone 3. Zusätzlich kann der Innendurchmesser der einzelnen Spulenhälften geringer gewählt werden als im Aus­ führungsbeispiel von Fig. 1, da die Spule 6 dort zusätzlich noch die Hf-Heizspule 4 zu umgeben hat. Dieser geringere Innendurchmesser ermöglicht es, weniger Leistung bei gleicher gewünschter Feldstärke einzusetzen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es lediglich notwendig, die beiden Spulenhälften (6 a, 6 b) so anzuordnen, daß die Schmelzzone 3 mit dem inhomogenen Gleichfeldanteil durch­ setzt wird. Bereits das Durchsetzen der Schmelzzone 3 mit den "gekrümmten" Feldlinien - wie diese im Außenbereich von langgestreckten Spulen typisch sind - bewirkt eine Wirbelstromdämpfung der Konvektion in der Schmelzzone 3. Zusätzlich sind die zwei Spulenhälften (6 a, 6 b) aus den bereits oben genannten Gründen durch jeweils eine Ab­ schirmung (5 a, 5 b) vom Hochfrequenzfeld der Hf-Heizspule 3 getrennt.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist selbst­ verständlich nicht nur auf das Zonenziehen von Halbleiter­ stäben beschränkt. Vielmehr kann die erfindungsgemäße Vor­ richtung überall dort eingesetzt werden, wo ein hoch­ frequentes Wechselfeld zusammen mit einem Gleichfeld wechsel­ wirkungsfrei auf ein Substrat wirken soll. Die erfindungs­ gemäße Vorrichtung kann so z.B. auch beim Tiegelziehver­ fahren eingesetzt werden, falls die Beheizung durch Wirbel­ ströme erfolgt.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Herstellen von einkristallinen Halbleiter­ material aus einer Schmelzzone mit den Merkmalen:

• a) die Vorrichtung hat eine um eine vertikale Achse waag­ recht angeordnete und die Schmelzzone (3) erzeugende Hf-Heizspule (4) mit einer zentralen Öffnung;
• b) die Vorrichtung hat eine ein mindestens teilweise homo­ genes Gleichfeld erzeugende Anordnung;
• c) die Anordnung ist mindestens annähernd symmetrisch zur Achse der Hf-Heizspule (4) angebracht;
• d) das homogene Gleichfeld durchsetzt mindestens teilweise die von der Hf-Heizspule 4 zu erzeugende Schmelzzone (3);

gekennzeichnet durch die Merkmale:

• e) die Anordnung ist eine zylindrische Spule (6);
• f) die Achse der Hf-Heizspule (1) fällt mindestens annähernd mit der Achse der zylindrischen Spule (6) zusammen;
• g) mindestens zwischen zylindrischer Spule (6) und Hf-Heizspule (4) ist eine Abschirmung (5) aus einem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit angeordnet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Material Kupfer ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (5) mit Kühlkanälen versehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Spule (6) in zwei Hälften aufgeteilt ist, die unterhalb und oberhalb der Hf- Heizspule (4) angeordnet sind.