DE3625669A1

DE3625669A1 - Induktionsheizer zum tiegelfreien zonenschmelzen

Info

Publication number: DE3625669A1
Application number: DE19863625669
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1986-07-29
Filing date: 1986-07-29
Publication date: 1988-02-04
Also published as: JPS6337590A; DE3625669C2; US4797525A; JPH0644512B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Induktionsheizer zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Halblei terstabes, bestehend aus einer Flachspule und einem koaxi al zur Flachspule angeordneten, mit der Flachspule verbun denen zylindrischen Zusatzheizer, der aus elektrisch gut leitendem Material besteht und der der Flachspule parallel geschaltet ist.

Ein Induktionsheizer der genannten Art ist z. B. in der DE-AS 18 02 524 beschrieben worden. Der Zusatzheizer be steht aus einem Zylinder, in dem die Flachspule derart angeordnet ist, daß der Zylinder die Flachspule nach beiden Seiten z. B. gleich weit überragt. Dabei dient der dem polykristallinen Vorratsstab zugewandte Teil des Zy linders als Vorheizer und der dem monokristallinen Halb leiterstab zugewandte Teil des Zylinders als Nachheizer. Der Zweck des Zusatzheizers wurde darin gesehen, den Temperaturgradienten beiderseits der Schmelzzone in den angrenzenden festen Stabteilen des Halbleiterstabes niedrig zu halten.

Versuche mit dem beschriebenen Induktionsheizer haben je doch ergeben, daß der Vorheizer ungünstige Ergebnisse bringt. Mit dem Vorheizer findet das Aufschmelzen des Vorratsstabes bezogen auf eine einfache Flachspule früher statt. Abhängig von der Qualität des polykristallinen Si liciums bilden sich hierbei besonders am Rand des Stabes nichtschmelzende axialgerichtete Nasen aus, die durch die Flachspule nicht aufgeschmolzen werden. Der Ziehvorgang muß daher an dieser Stelle unterbrochen werden, wodurch der gesamte Stab wertlos wird.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Induktionsheizer der genannten Art so weiterzubilden, daß einerseits die genannten Nachteile nicht auftreten und andererseits eine gute homogene Temperaturverteilung er zielt werden kann.

Es ist bekannt, daß mit zunehmender inhomogener Tempera turverteilung die zeitlichen Schwankungen der Wachstums geschwindigkeit des Monokristalls zunehmen. Damit ändert sich auch der effektive Verteilungskoeffizient k _eff und damit die Dotierung im mikroskopischen Bereich. Diese Dotierungsänderungen werden als "Striations" bezeichnet. Dabei ist der Einfluß der zeitlichen Schwankungen der Wachstumsgeschwindigkeit um so größer, je kleiner der Faktor k _eff ist.

Die oben erwähnte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Zusatzheizer ausschließlich auf derjenigen Seite der Flachspule angeordnet ist, die dem monokristallinem Stab teil zugewandt ist.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unter ansprüche.

Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Schnitt durch einen Induktionsheizer gemäß einem ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem zu schmelzenden Halbleiterstab,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiels eines Nach heizers und

Fig. 3 die Aufsicht auf eine Weiterbildung der Flach spule nach Fig. 1.

Der Induktionsheizer nach Fig. 1 hat eine bekannte ein windige Flachspule 4, die mit Anschlüssen versehen ist. Von diesen ist einer mit 5 bezeichnet. Die Flachspule 4 kann auch mehrere Windungen aufweisen. Die Flachspule 4 schmilzt einen Vorratsstab 1 auf, der in einen monokri stallinen Halbleiterstab 2 umgewandelt wird. Beide Stab teile sind durch eine Schmelzzone 3 miteinander verbunden.

Die Flachspule 4 ist auf ihrer dem monokristallinen Stab teil 2 zugewandten Seite koaxial mit einem zylindrischen Zusatzheizer 6 versehen. Dieser besteht beispielsweise aus dem gleichen gut leitenden Metall wie die Flachspule 4. Der Zusatzheizer 6 ist mechanisch mit der Flachspule 4 verbunden und ist dieser elektrisch parallel geschaltet. Flachspule 4 und Zusatzheizer 6 bilden einen gemeinsamen Spalt 15. Die Flachspule und der Zusatzheizer sind mit Kühlkanälen 7, 8 versehen.

Beim Zonenschmelzen bilden sich, bedingt durch die Form der Flachspule 4 und des Zusatzheizers 6, Feldlinien aus, die teilweise der Achse des monokristallinen Stabteils 2 parallel laufen. Eine solche Feldlinie ist hier mit 9 be zeichnet. Durch diese Feldverteilung wird der monokristal line Stabteil nachgeheizt, so daß der Temperaturgradient im wachsenden Einkristallstab 2 kleiner wird. Damit er gibt sich auch eine Verbesserung der Homogenität der Temperatur in der Schmelze, so daß die Konvektion in der Schmelze und damit an der Grenzfläche zwischen der Schmel ze und dem monokristallinen Halbleiterstab 2 verringert wird. Damit werden die zeitlichen Schwankungen der Wachs tumsgeschwindigkeit kleiner, so daß auch die zeitlichen Schwankungen des Faktors k _eff klein bleiben. Damit werden auch die Dotierungsschwankungen kleiner. So wurde bei spielsweise bei einer Dotierung von Silicium mit Indium eine Verringerung der Dotierungsschwankungen um den Fak tor 2 bis 3 gegenüber einer normalen Flachspule erreicht.

Um eine Beobachtung der Schmelzzone während des Zonen schmelzens zu ermöglichen, empfiehlt es sich, den Zu satzheizer 6 mit Öffnungen zu versehen. Der Zusatzheizer kann jedoch, wie in Fig. 2 dargestellt, auch aus zwei Metallringen 10, 11 bestehen, die durch axial liegende Metallstäbe 12 miteinander verbunden sind. Die Ringe 10, 11 und die Stäbe 12 bestehen aus gut leitendem Metall, wie z. B. Kupfer oder Silber. Die Ringe 10, 11 sind zur Vermeidung eines Kurzschlusses der Versorgungsspan nung mit radialen Schlitzen 13, 14 versehen. Diese Schlitze liegen in Axialrichtung fluchtend hinter ein ander. Wird der aus den Ringen 10, 11 und den Stäben 12 gebildete Käfig mit einer Flachspule nach Fig. 1 ver bunden, so werden die Schlitze 13, 14 nach dem Schlitz der Spule ausgerichtet. Die beiderseits der Schlitze 13, 14 angeordneten Stäbe 12 haben einen Abstand voneinander, der der Schlitzbreite entspricht. Die Stäbe 12 können auf ihren einander gegenüberliegenden Seiten plan ausgebildet sein, so daß zwischen den Enden des Nachheizers ein homo gener Schlitz liegt.

Eine weitere Verbesserung der Temperaturhomogenität kann dadurch erzielt werden, daß die Flachspule (Fig. 3) mit von der Öffnung 16 der Spule 4 ausgehenden radialen Schlitzen 17 versehen ist. Diese Schlitze bewirken eine Symmetrierung der durch den Schlitz 15 zwischen den Spulenenden bewirkten Unsymmetrie. Die Schlitze 17 sind untereinander und zum Schlitz 15 unter gleichem Winkel abstand angeordnet. Die oben erwähnte Verbesserung der Homogenität wurde bei einem Siliciumstab mit 52 mm Durch messer mit einem Induktionsheizer erzielt, bei dem der Innendurchmesser der Spule 27 mm, der Außendurchmesser 77 mm, der Innendurchmesser des Nachheizers 70 mm und seine Länge 40 mm betrug. Mit größer werdendem L wird die Dauer der Nachheizung erhöht, mit kleiner werdendem D die Tempe ratur der Nachheizung.

Claims

1. Induktionsheizer zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Halbleiterstabes, bestehend aus einer Flachspule und einem koaxial zur Flachspule angeordne ten, mit der Flachspule verbundenen zylindrischen Zusatz heizer, der aus elektrisch gut leitendem Material be steht und der der Flachspule parallel geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzheizer (6) ausschließlich auf derjenigen Seite der Flachspule (4) angeordnet ist, die dem mono kristallinen Stabteil (2) zugewandt ist.

2. Induktionsheizer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzheizer zwei Metallringe (10, 11) aufweist, die durch axial verlaufende Metallstäbe (12) zu einem zylindrischem Käfig verbunden sind, daß die Metallringe mit je einem radialen Schlitz (13, 14) versehen sind, daß beide Schlitze in axialer Richtung der Ringe fluch tend hintereinander liegen, daß die Flachspule einwindig ist und zwischen ihren Anschlüssen einen Schlitz bildet und daß die radialen Schlitze mit diesem Schlitz fluchten.

3. Induktionsheizer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachspule (4) mit von ihrer Öffnung (16) ausge henden radialen Schlitzen (17) versehen ist, die unter einander und mit einem zwischen den Enden der Flachspule (4) gebildeten Schlitz (15) gleichmäßig um die Öffnung (16) verteilt sind.

4. Induktionsheizer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzheizer (6) Kühlkanäle (8) aufweist.