DK169355B1 - Fremgangsmåde til digelfri zonesmeltning af halvlederstænger samt induktionsvarmespole til udførelse af fremgangsmåden - Google Patents

Description

DK 169355 B1

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til digelfri zonesmeltning af halvlederstænger, ved hvilken en forrådsstang over en ved hjælp af en cirkelformet induktionsvarmespole med spoleender, der er adskilt fra hinanden med en spolespal-5 te, frembragt, krystallisationsfronten kuppelformigt overlejrende smeltezone overføres i en krystalstang, der er underkastet en drejebevægelse, samt en induktionsvarmespole til udførelse af fremgangsmåden.

Fremstillingen af enkrystallinske halvlederstænger, 10 der er frie for urenheder, ved hjælp af metoden med digelfri zonesmeltning har længe været kendt, ligesom også talrige induktionsvarmespoler, der kan anvendes ved sådanne fremgangsmåder. I de fleste tilfælde indspændes derved en som regel polykrystallinsk forrådsstang, f.eks. af reneste sili-15 cium opnået ved gasfaseafsætning, lodret i en recipient, der tillader indstillingen af en arbejdsatmosfære af bestemt sammensætning, og smeltes op fra sin nedre ende, eventuelt under drejning, ved hjælp af en induktionsvarmespole, der omgiver smeltezonen koncentrisk. Under spolen befinder den 20 oftest ligeledes drejede og som regel monokrystallinske produktstang sig, som i sin øvre ende er dækket kuppelformigt af smeltet materiale, og som vokser ved det sidstnævntes fremadskridende krystallisation. I princippet er sådanne fremgangsmåder beskrevet f.eks. i W. Dietze, W. Keller og 25 A. Muhlbauer, "Float zone grown silicon" i "Crystals" bd. 5 (1981), Springer-Verlag Berlin-Heidelberg-New York.

De kendte smeltefremgangsmåder støder dog på deres grænser, når det gælder om at fremstille krystalstænger med store diametre, dvs. 10-15 cm eller mere, som de stadig 30 hyppigere anvendes ved fremstillingen af elektroniske eller effektbygningselementer. Ved sådanne diametre af stængerne træder nemlig visse effekter, der endnu kan negliceres ved smeltning af mindre stænger, stadig stærkere i forgrunden, hvilket ofte hænger sammen med, at der foreligger en tilsva-35 rende større mængde smeltet materiale, til hvis frembringelse der også kræves tilsvarende højere effekter, i den smeltekup- DK 169355 B1 2 pel, der overlejrer produktstangen. Således forekommer der f.eks. uregelmæssige smelte- og krystallisationsforhold på grund af den af de sædvanlige spolegeometrier forårsagede inhomogenitet i højfrekvensfeltet. Der optræder således 5 hyppigere i området ved spolespalten tilbagesmeltninger, produktstængerne er på grund af uensartet udvikling af smeltekuplen tilbøjelige til at "lægge æg", dvs. acentrisk vækst, og udviser radiale variationer i fordelingen af doteringsstof. Den sidstnævnte virkning gør sig ubehageligt mærkbar 10 allerede ved lavere diametre af stænger.

Smeltningen af fejlfrie stænger, især med diametre på 10 cm og mere, er derfor med de sædvanlige smeltemetoder ikke mulig i tilfredsstillende og økonomisk acceptable udbytter selv ved omhyggelig arbejdsmåde.

15 Opfindelsens opgave har altså bestået i at angive en pålidelig og gode udbytter muliggørende fremgangsmåde til digelfri zonesmeltning, der undgår de nævnte ulemper under smelteprocessen og tillader fremstillingen af fejlfrie stænger, især med diametre på 10 cm og derover uden at forøge 20 indsatsen af apparatur uacceptabelt i forhold til de sædvanlige fremgangsmåder. Endvidere har der skullet angives induk-tionsvarmespoler til udførelsen af denne fremgangsmåde.

Opgaven løses ved en fremgangsmåde, der er ejendommelig ved, at smeltekuplen i randområdet i en ringzone, 25 der ligger over for spolespalten og højst omfatter 3/4 af stangens omkreds, trykkes indad ved hjælp af elektromagnetiske kræfter, og at drejebevægelsen af' produktstangen udføres med skiftende drejeretning.

Induktionsvarmespoler til udførelsen af denne frem-30 gangsmåde er ejendommelige ved en plan, mod smeltekuplen vendt spoleflade med et eller flere fra denne flade fremtrædende, over smeltekuplens randområde omløbende ringformige segmenter med udadtil tiltagende tykkelse, der er ordnet inden for en sektor, der ligger over for spolespalten og 35 indtager indtil 3/4 af spoleomkredsen.

I figurerne 1 og 2 er der skematisk illustreret en MT I ' ^— — --- DK 169355 B1 3 mulig udførelsesform for en sådan induktionsvarmespole, idet fig. 1 viser et skematisk tværsnit gennem et udsnit af en anordning til zonesmeltning, og fig. 2 viser en plantegning af en spoleunderside. Ved hjælp af disse figurer forkla-5 res i det følgende fremgangsmåden ifølge opfindelsen og induktionsvarmespolerne til anvendelse ved denne nærmere. Elementer, der svarer til hinanden, er i begge figurer forsynet med samme henvisningstal.

Den til fig. 1 svarende anordning viser en forråds-10 stang 1, f.eks. af polykrystallinsk, ved gasfaseafsætning opnået reneste silicium, der som regel under smelteforarbejdningen udfører en drejebevægelse om sin længdeakse. Stangen smeltes på sin underside op ved hjælp af en induktionsvarmespole 2, hvorved det smeltede materiale i en smal 15 smeltesøjle 3 træder gennem spoleåbningen 4 og produktstangen 5, f.eks. en enkrystallinsk siliciumstang, overlejret med en hvælvet smeltekuppel 6. Induktionsfarvespolen 2, der forsynes med den nødvendige effekt gennem tilledningerne 7, bærer på spoleundersiden et ringformigt segment 8, der f.eks.

20 frembyder et kileformigt tværsnit, og som er anbragt inden for en sektor, der ligger over for spolespalten og indtager ca. 2/3 af spoleomfanget, og i denne sektor overstryger randområdet af smeltekuplen 6.

Segmentet 8, der også kan foreligge i form af to 25 eller flere med mellemrum adskilte enkeltsegmenter, bevirker i sit område et forløb af det fra spolen udgående elektromagnetiske felt, der trykkes indad ved smeltekuplen i randområdet over for spolespalten, området med den højeste feltstyrke. Denne indadrettede kraftvirkning er så meget stærkere 30 udpræget, jo mere smeltemassen nærmer sig segment 8, jo mere smeltekuplen altså hvælver sig udad, således at systemet i sidste ende selvstændigt indstiller en optimal stilling af smeltekuplen, i hvilken de kræfter, der virker radialt på smeltemassen, sammenlignet med sædvanlige spoler, er væsent-35 lig mere ensartede.

Den på fig. 2 viste plantegning af en induktionsvarme- DK 169355 B1 4 spole 2 viser spoleundersiden med tilgangs- og afgangsledninger 7 og 9, den mellem spoleenderne forløbende spolespalte 10 samt spoleåbningen 4. Segmentet 8, der i det foreliggende tilfælde f.eks. frembyder et kileformigt tværsnit, ligger 5 over for spolespalten inden for en sektor svarende til ca.

2/3 af spoleomkredsen. Størrelsen af denne sektor kan dog varieres? spoler, med hvilke segmentet er anbragt inden for en sektor, der svarer til 1/4 til 3/4 af spoleomkredsen, har vist sig sikre. Dette gælder også i det tilfælde, at 10 segmentet 8 er sammensat af flere enkeltsegmenter, mellem hvilke der f.eks. kan udlægges tilledninger til doteringsstoffer eller jordledninger. Af hensyn til enkeltheden omtales i det følgende kun segmentet 8; angivelserne gælder dog også analogt for sådanne grupper af enkeltsegmenter.

15 Den indre og ydre radius af segmentet 8 vælges hen sigtsmæssigt i henhold til produktstangens radius. Den indre radius svarer med fordel til mindst 0,5 gange, den ydre radius højst 1,5 gange denne værdi. Differensen mellem ydre og indre radius svarer hensigtsmæssigt til mindst 0,1 gange, 20 fortrinsvis 0,3 til 0,8 gange stangens radius. Højden 11, med hvilken segmentet 8 i sit ydre omfang rager ud over den egentlig spoleunderside, udgør med fordel 0,1 til 2 gange den maksimale spoletykkelse.

Den flade, der vender mod smeltekuplen, er med fordel 25 plan, dvs. i form af den ydre flade af en keglestub, hvorved dens hældning i forhold til stangens akse fortrinsvis udgør 50 til 80°, især 60 til 70°, således at segmentet i sidste ende frembyder et kileformigt tværsnit. På tilsvarende måde kan denne flade dog også være konkavt eller konvekst krummet.

30 Hensigtsmæssigt anvendes det samme materiale til segmentet 8, ud fra hvilket også spolegrundlegemet er udfærdiget, i første række altså sølv, kobber eller forsølvede metaller, af hvilke induktionsvarmespoler sædvanligvis fremstilles. I de fleste tilfælde vil man først fremstille spole-35 grundlegeme og segment adskilt og derpå forbinde dem med hinanden, f.eks. ved svejsning. På denne måde kan også sæd- DK 169355 B1 5 vanlige spoler med plan underside senere forsynes med et sådant segment. Det er dog heller ikke udelukket at fremstille spolegrundlegeme og segment af et enkelt emne. Derved begrænses opfindelsen ikke til de i figurerne af hensyn til 5 overskueligheden illustrerede spoler med én vinding, men kan på lignende måde også anvendes ved spoler med flere vindinger.

Den egentlige smeltefremgangsmåde kan principielt udføres på den kendte, f.eks. i den ovenfor nævnte artikel 10 beskrevne, måde, f.eks. med hensyn til fremgangsmådeparametre såsom arbejdsatmosfære eller forberedelse af udgangsstangen. Drejningen af produktstangen udføres dog med skiftende dreje-retning. Derved opnås en forbedret radial fordeling af doteringsstof allerede for stangdiametre fra ca. 7,5 cm. Det 15 har vist sig fordelagtigt derved at skifte drejeretningen efter hver 0,1 til 20 omdrejninger af produktstangen. Særlig fordelagtigt varieres omvendingen således, at vendepunktet statistisk fordeles over stangens omkreds under forløbet af smelteprocessen. Andre fremgangsmådevarianter med stang-20 drejning med skiftende hastighed er ikke udelukket.

Ved induktionsvarmespolen ifølge opfindelsen i forbindelse med smeltefremgangsmåden med skiftende drejeret-ning af produktstangen, formindskes især ved store stangdiametre fra 10 cm og mere de af inhomogeniteten af feltet i 25 spolespalten fremkaldte uheldige virkninger, såsom tilbagesmeltninger, "æglægning" af stangen eller radiale variationer af doteringsstof tydeligt, da smeltekuplen trykkes indad af de elektromagnetiske kræfter og således forhindrer deres skadelige udhvælvninger. Ved de af vækstforholdene mindre 30 kritiske stænger med mindre stangdiametre fra ca. 7,5 til 10 cm bliver den radiale fordeling af doteringsstofferne tydeligt mere ensartet. I sidste ende forbedres altså stængernes smelteforhold ved den digelfrie zonesmeltning, og således forøges udbyttet af fejlfrie stænger og/eller deres kvalitet.

35 Opfindelsen forklares nærmere nedenfor ved hjælp af udførelseseksempler: DK 169355 B1 6

Eksempel 1 I et sædvanligt zonesmelteanlæg (jvf. herom f.eks.

W. Keller og A. Muhlbauer, "Floating-zone silicon", Marcel Dekker, Inc., New York og Basel, (1981), s. 44-65) smeltes 5 under de sædvanlige smeltebetingelser en énkrystal af silicium (diameter ca. 7,5 cm, 1-1-1-orientering, smeltehastighed ca. 2,5 mm/min). I recipienten er der indstillet et argon-overtryk på ca. 2 bar; siliciummet er phosphor-doteret (specifik modstand ca. 3 ohm*cm). Diameteren af den polykry-10 stallinske forrådsstang ligger ved ca. 7,5 cm.

Som induktionsvarmespole anvendes en fladspole drejet af rent sølv med én vinding og med fræset kølekanal, hvis indre huldiameter udgør ca. 36 mm ved en udvendig diameter på ca. 170 mm. I den flade spoleunderside er der i en over 15 for spolespalten beliggende sektor, der indtager ca. 2/3 af spoleomfanget, indarbejdet et ringformigt segment med et udadtil kileformigt tiltagende tværsnit. Segmentets indre radius svarer med ca. 30 mm til ca. 0,8 gange og den ydre radius med ca. 45 mm til ca. 1,2 gange produktstangens radi-20 us. På segmentets ydre rand har det en højde på ca. 0,6 cm i forhold til den egentlige spoleunderside svarende til ca.

0,5 gange den maksimale spoletykkelse.

Under smelteprocessen underkastes forrådsstangen en konstant drejning med en hastighed på 1 OPM, medens produkt-25 stangen udfører en drejecyclus med skiftende drejeretning. Derved drejes den først i 7 sekunder med en maksimal hastighed på 16 OPM i modsat retning af forrådsstangen, standses, drejes yderligere 7 sekunder med en maksimal hastighed på 18 OPM med forrådsstangen, standses på ny, drejes under 30 omvending af drejeretningen i 7 sekunder med en maksimal hastighed på 15 OPM og underkastes endelig en yderligere moddrejning med 17 OPM maksimalhastighed og 7 sekunders varighed. Derefter gennemløbes denne cyclus igen forfra, og følgelig opnås under smelteprocessens forløb en statistisk 35 fordeling af omvendepunktet over stangens omkreds. Ved en stanglængde på 1000 mm afsluttes smelteprocessen, og den mm i * ^ DK 169355 B1 7 opnåede stang udtages.

Derefter saves stangen i skiver med en tykkelse på ca. 350 /m med en indvendig hulsav. Som vigtigt kendetegn for kvaliteten af det opnåede materiale bestemmes nu hos 9 5 i afstande på hver 10 cm udtagne skiver størrelsesordenen af de radiale modstandsvariationer, ud fra hvilke der kan drages slutninger om de radiale variationer i fordelingen af doteringsstof. Dette sker på grundlag af ifølge ASTM-forskrift F 525 (1977) ved hjælp af "spreading resistan-10 ce"-metoden bestemte profiler af udbredelsesmodstanden, jvf. hertil f.eks. W. Dietze, W. Keller og A. Muhlbauer, "Float-Zone Grown Silicon" i Crystals, Growth, Properties and Applications, bd., 5, s. 34-36, Springer-Verlag Berlin Heidelberg (1981).

15 Ud fra de bestemte profiler fremgår det, at denne modstand ikke ved nogen skive varierer mere end 20% omkring den enkelte middelværdi.

I et sammenligningsforsøg smeltes endnu en stang under nøjagtig de samme betingelser med den forskel, at der 20 i stedet for induktionsvarmespolen ifølge opfindelsen anvendes en spole, der ved i øvrigt de samme mål har en fuldstændig plan underside uden ringformige segmenter med udadtil tiltagende tykkelse, således at smeltekuplen i dette område ikke kan trykkes indad ved hjælp af elektromagnetiske kræf-25 ter.

Den opnåede stang saves ligeledes i skiver. Fra de samme positioner udtages ni af disse skiver og måles. Ved hver af dem varierer den bestemte udbredelsesmodstand ovenfra og ned med op til 30% omkring den enkelte middelværdi.

30

Eksempel 2

Et zonesmeltningsanlæg, som fås i handelen, udrustes med en induktionsvarmespole med én vinding (indre hulradius ca. 20 mm, ydre radius ca. 90 mm, materiale sølv, maksimal 35 spoletykkelse ca. 15 mm), på hvis flade underside der i en i over for spolespalten beliggende sektor, der omfatter ca.

DK 169355 B1 8 3/5 af spoleomkredsen, koncentrisk er påsvejset et ringfor-migt omløbende segment med kileformigt udadtil tiltagende tykkelse. Dette segments indre radius udgør 45 mm, den ydre radius 75 mm og tykkelsen ved den ydre rand 10 mm. Den mod 5 smeltekuplen vendende overflade af segmentet indeslutter dermed en vinkel på ca. 71° i forhold til stangens akse.

I dette anlæg smeltes nu en énkrystallinsk siliciumstang med diameter ca. 12,5 cm ud fra en polykrystallinsk forrådsstang med diameter ca. 12,5 cm. Derved drejes for-10 rådsstangen ca. 1 OPM, medens produktstangen analogt med den i eksempel 1 beskrevne fremgangsmåde gennemløber en cyclus med skiftende drejeretninger. Under den samlede smelteproces viser stangen fejlfrit vækstforhold, og i smeltekuplens område kan der ikke fastslås nogen tilbagesmeltninger 15 og/eller overhæng. Ved en stanglængde på 75 cm afsluttes smelteprocessen, og stangen udtages.

I et sammenligningsforsøg gentages smelteprocessen under de samme betingelser, idet der anvendes en i øvrigt identisk spole, der dog ikke på sin flade underside er for-20 synet med et ringformigt segment med kileformigt tværsnit. Allerede ved en stanglængde på 10 cm optræder i området ved spolespalten tydelige tilbagesmeltninger, der i området overfor atter fører til stadig større overhæng af smeltekuplen, der på sin side ved størkningen fører til en stadig 25 stærkere afvigelse af produktstangen fra den koncentriske position. Ved en stanglængde på ca. 20 cm må smelteprocessen afbrydes.

Claims (9)

1. Fremgangsmåde til digelfri zonesmeltning af halvlederstænger, ved hvilken en forrådsstang over en ved hjælp af en cirkelformet induktionsvarmespole med spoleender, der 5 er adskilt fra hinanden med en spolespalte, frembragt, krystallisationsfronten kuppelformigt overlejrende smeltezone overfores i en krystalstang, der er underkastet en drejebe-vægelse, kendetegnet ved, at smeltekuplen i randområdet i en ringzone, der ligger over for spolespalten og 10 højst omfatter 3/4 af stangens omkreds, trykkes indad ved hjælp af elektromagnetiske kræfter, og at drejebevægelsen af produktstangen udføres med skiftende drejeretning.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at drejebevægelsens drejeretning vendes om efter 15 0,1 til 20 omdrejninger af produktstangen.

3. Fremgangsmåde ifølge et eller flere af kravene l til 2, kendetegnet ved, at de elektromagnetiske kræfter, der trykker smeltekuplens randområde indad, bringes til virkning i en sektor, der omfatter 1/4 til 3/4 af 20 spoleomkredsen.

4. Induktionsvarmespole til udførelse af fremgangsmåden ifølge et eller flere af kravene 1-3, kendetegnet ved, en plan, mod smeltekuplen vendt spoleflade med et eller flere fra denne flade fremtrædende, over smeltekup- 25 lens randområde omløbende ringformige segmenter med udadtil tiltagende tykkelse, der er ordnet inden for en sektor, der ligger over for spolespalten og indtager- indtil 3/4 af spoleomkredsen.

5. Induktionsvarmespole ifølge krav 4, kende- 30 tegnet ved, at det ringformige segment frembyder en indre radius på mindst 0,5 gange og en ydre radius på højst 1,5 gange produktstangens radius.

6. Induktionsvarmespole ifølge krav 5, kendetegnet ved, at differensen mellem indre og ydre radius 35 svarer til 0,3 til 0,8 gange produktstangens radius. DK 169355 B1

7. Induktionsvarmespole ifølge et eller flere af kravene 4-6, kendetegnet ved, at det ringformige segment ved sin ydre rand frembyder en højde, der svarer til 0,2 til 2 gange den maksimale spoletykkelse.

8. Induktionsvarmespole ifølge et eller flere af kravene 4 til 7, kendetegnet ved, at segmentet frembyder et kileformet tværsnit.

10. Induktionsvarmespole ifølge et eller flere af kravene 4 til 8, kendetegnet ved, at segmentets 10 mod smeltekuplen vendte overflade afgrænser en vinkel i forhold til stangens akse på 50 til 80°. ^—............