DE971413C

DE971413C - Vorrichtung zum tiegellosen Zonenschmelzen

Info

Publication number: DE971413C
Application number: DES35587A
Authority: DE
Inventors: Dr Karl Siebertz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1953-10-02
Filing date: 1953-10-02
Publication date: 1959-01-22

Description

AUSGEGEBEN AM 22. JANUAR 1959

S3558T VII4od

Es ist bekannt, Metalle oder Halbleiter durch Elektronenbombardement zu schmelzen. Die Erfindung betrifft eine besondere Ausbildung dieses Verfahrens in vorzugsweise besonders gearteten Anwendungszwecken und Anordnungen. Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, Halbleiterstücke, ζ. B. Germanium, Silizium oder Verbindungen von Elementen der III. und V. oder II. und VI. Gruppe des Periodischen Systems, in an ίο sich bekannter Weise zonenweise zu schmelzen. Das zonenweise Schmelzen dient einer weiteren Reinigung unter gegebenenfalls gleichzeitiger Einkristallbildung des Materials. Da es bei dieser Aufgabe darauf ankommt, alle bei dem Verfahren selbst gegebenenfalls auftretenden zusätzlichen Verunreinigungen von vornherein auszuschließen, wird das Verfahren im allgemeinen im Vakuum oder in einer inerten Gasatmosphäre durchgeführt. Es ist auch vorgeschlagen worden, die Anordnung senkrecht freistehend auszubilden, wobei das stabförmige Halbleitermaterial nur an den Enden gehaltert und an den zu schmelzenden Abschnitten in keinerlei Berührung mit einer Gefäßwand ist.

Bei diesen Anordnungen steht nur ein verhältnismäßig geringer Raum zur Unterbringung der Wärmequelle zur Verfugung. Bisher wurde das

809 711/1

Halbleitermaterial im allgemeinen durch Wärmestrahlung erhitzt, die von einem direkt oder indirekt erhitzten Metall- oder Kohlering erzeugt wurde, welcher um den zu schmelzenden HaIbleiterstab in einem gewissen Abstand· herumgelegt wurde und sich innerhalb des Vakuumgefäßes befand. Die Schmelzzone war jedoch hierbei verhältnismäßig breit, da sich die Strahlung aus Raumgründen nur schwer konzentrieren ließ. ίο Die Erfindung bezieht sidh auf eine Vorrichtung zum tiegellosen Zonenschmelzen, wobei die Schmelzzone, durch einen an seinen Enden eingespannten, vorzugsweise aufrecht stehenden Stab geführt wird, der konzentrisch in einem elektrisch beheizten und axial zum Stab verschiebbaren Heizring angeordnet ist. Gemäß der Erfindung ist der Heizring als Oxyd- bzw. Boridglühkathode ausgebildet, so daß durch Elektronenbesdhuß zonengesclimolzen wird. Hierdurch werden die in der Einleitung geschilderten Schwierigkeiten weitgehend vermieden. Es wird zu diesem Zweck ein Ring, der als Elektronenquelle dient, in analoger Weise wie die bisher verwendeten Strahltmgsrkige um den stabförmigen, zonenweise zu schmelzenden Körper herumgelegt und zwischen die ElektronenstraMungsquelle und den zu behandelnden Körper eine Spannung gelegt. Hierdurch tritt bereits eine gewisse Konzentrierung der Elektronenstralhlungswirkung auf einen schmalen Zonenbereioh ein,

Gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindiungsgedankens wird diese Richtwirkung noch durch eine zusätzliche Schirmanordnung, vorzugsweise eine Ringblende, erhöht, welche zweckmäßig auf ein gegen die Elektronenstrahlungsquelfe negatives Potential gebracht wird.· Durch das Potential der Blende läßt sich das Schmelzverfahren gleichzeitig steuern, wobei eine Wirkung auftritt, die der des Wehneltzylinders bei Kathodenstrahlröhren entspricht.

Durch diese Anordnung wird der Vorteil erreicht, daß die Strahlungsquelle bei vergrößerter Konzentrationswirkung sogar noch geringer zu dimensionieren ist, als es bisher möglich war. Es ist hierbei insbesondere möglich, verhältnismäßig einfach mehrere dieser Strahlungsquellen innerhalb des Vakuumgefäßes nebeneinander anzuordnen und in an sich bekannter Weise mehrere Zonen in einem Simultanverfahren gleichzeitig zu schmelzen. Eine besondere Ausbildung des Erfindungsgedankens ist darin zu erblicken, daß das Material der Elektronenstrahlungsquelle beim Schmelzen mittels Elektronenbombardement als Metalloxydoder -boridkathode ausgebildet ist, und zwar vorzugsweise aus besonders hochschmedzenden Metalloxyden oder gleichwertigen Stoffen besteht. Als besonders geeignet hat sich hierbei Metallborid, wie z. B. Lantanborid (LaB₆), erwiesen. In weiterer Ausbildung des Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, Erdoxyde, beispielsweise Nernststiftmasse, als Oxydkathodenmaterial zu verwenden. Auf Grund der hohen Schmelztemperatur dieser Stoffe und der geringen Austrittsarbeit erhält man bei ihrer Verwendung sehr starke Elektronenstrahlungsquellen, die gerade für den im vorangehenden geschilderten Zweck von besonderem Vorteil sind, weil sie in möglichst kleinen Abmessungen herzustellen sind. Außerdem besitzen die genannten Stoffe den weiteren Vorteil, daß beim Elektronenbombardement keine Verunreinigungen aus ihnen in den Schmelzung eingeführt werden. Bei der Verwendung z. B. von Wolframkathoden würde die Gefahr bestehen, daß Teile des Wolframs verdampfen und in den Schmelzung hineingelangen könnten.

In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung beispielsweise dargestellt, ι bedeutet einen senkrecht angeordneten Stab aus chemisch höchst gereinigtem Germanium, der an seinem oberen und seinem unteren Ende in Haltevorrichtungen 2 und 3 befestigt ist, welche ihrerseits auf einem senkrecht in Richtung des Pfeiles 4 verschiebbaren Träger 5 angeordnet sind¹. Das Ganze ist in einem Vakuumgefäß 6 angeordnet, welches mit einem inerten Gas, insbesondere Stickstoff gefüllt ist. Erfindungsgemäß ist innerhalb des Vakuumgefäßes 6 um den Stab 1 herum eine ringförmige ElektronenstraMungsquelle 7 angeordnet ; zwischen dem· Ring 7 und dem Stab 1 befindet sich eine torusförmige Blende 8, welche zwischen dem Ring 7 und dem Stab 1 einen Ringschlitz frei läßt. An den Stab 1, den Ring 7 und die Blende 8 sind Spannungen gelegt, von denen mindestens die Spannung der Blende 8 verändert werden kann. Der Strahlungsring 7 wird in in der Zeichnung nicht weiter' dargestellter Weise erhitzt. Dies kann entweder durch direkte Stromzufuhr oder beispielsweise durch Wirbelstromheizung von außerhalb des Vakuumgefäßes 6 her erfolgen. Der Ring 7 besteht aus einem Oxydkathodenmaterial, insbesondere einem Erdoxydgemisch nach Art eines Nernststiftes.

Von besonderer Bedeutung ist die Erfindung für die Gewinnung von höchst reinen Halbleitereinkristallen Wie Verwendung in Halbleiteranordnungen, wie z. B. Richtleitern, Detektoren, Transistoren, Fototransistoren, Heißleitern u. dgl.

Claims

Patentansprüche:

i. Vorrichtung zum tiegellosen Zonenschmelzen, wobei die Sdhmelzzone durch einen an seinen Enden eingespannten, vorzugsweise aufrecht stehenden Stab geführt wird, der konzentrisch in einem elektrisch beheizten und axial zum Stab verschiebbaren Heizring angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizring als Oxyd- bzw. Boridglühkathode ausgebildet ist, so daß durch Elektronenbeschuß zonengeschmolzen wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenkörper aus iao Lantanborid oder einer Mischung mehrerer Boride besteht.
3. Oxydkathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Erdoxyd oder einem Gemisch von Erdoxyden, beispielsweise «5 aus Nernststiftmasse besteht.
4· Anordnung nach einem der Ansprüche ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenkörper den vorzugsweise stabförmig langgestreckten Schmelzung ringförmig umgiibt.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kathode und dem Schmelzung eine vorzugsweise torusförmige Blende mit Ringschlitzöffnung angeordnet ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an die Ringschlitzblende eine vorzugsweise veränderliche, zur Kathode negative Spannung gelegt ist.
7. Anwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum sogenannten Zonenschmelzen eines Halbleiters zwecks Reinigung und/oder Einkristallherstelking.
8. Halbleiteranordnung, beispielsweise Richtleiter, Detektor, Transistor, Fototransistor, Fieldistor, Heißleiter od. dgl., dadurch gekenn- so zeichnet, daß der in ihr verwendete Halbleiter mittels der Anordnung nach einem der Ansprüche ι bis 7 geschmolzen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 581 423, 856 666.

In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1 014332.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 609 546/405 6.56 (809 711/1 1.59)