DE19610650A1

DE19610650A1 - Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterialstäben

Info

Publication number: DE19610650A1
Application number: DE1996110650
Authority: DE
Inventors: Helge Dipl Phys Dr Riemann; Hans-Joachim Dipl-Kristal Rost
Original assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Current assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority date: 1996-03-06
Filing date: 1996-03-06
Publication date: 1997-11-13
Anticipated expiration: 2016-03-07
Also published as: DE19610650B4

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterialstäben, bei der der Stab in einem Rezipienten lotrecht angeordnet ist, eine den Stab ringförmig umgebende Induktionsheizspule, deren Innendurchmesser kleiner als der Durchmesser des aufzuschmelzenden Vorratsstabteils ist, die Schmelzzone erzeugt und im Bereich der Schmelzzone ein Mittel zur Beeinflussung des Temperaturgradienten entlang der Ziehachse angeordnet ist.

Das Abschmelzen eines polykristallinen Halbleitermaterialsstabes mittels einer Induktionsheizspule beim tiegellosen Floating-Zone-Kristallzüchten soll homogen mit einer glatten Abschmelzfront insbesondere am Außenrand des Stabes erfolgen. Es dürfen keine Materialreste stehen bleiben, die induktiv nicht mehr abgeschmolzen werden können, da diese Reste leicht die Induktionsheizspule berühren können und Kurzschlüsse zwischen Spule und Stab hervorrufen, die zum Strukturverlust und notwendigen Abbruch des Züchtungsvorganges bzw. zur Zerstörung der Induktionsheizspule führen. Dem Stand der Technik nach sind verschiedene Lösungen bekannt, um die Oberfläche des Halbleitermaterialstabes vor der Weiterverarbeitung zu glätten. So wird einerseits der Stab vor der Weiterverarbeitung rund geschliffen, was einen Materialverlust von 10 bis 15% bedeutet, andererseits wird durch gezielte Beeinflussung des Temperaturfeldes die Bildung von solchen unerwünschten Schmelzrelikten von vornherein verringert bzw. unterdrückt.

So ist in DE-OS 12 75 966 vorgesehen, eine zusätzliche Induktionsheizspule um den Vorratsstab anzuordnen, um die Ausbildung von Schmelzrelikten, Spitzen am Rand der aufzuschmelzenden Grenzflächen, zu verhindern.

In DE-OS 28 12 216 ist ein Verfahren zum Aufschmelzen des Vorratsstabes dargestellt, bei dem der Innendurchmesser der Induktionsheizspule kleiner ist als der des aufzuschmelzenden Vorratsstabes. Hier wird mindestens teilweise ein hoher Gradient des Spulenfeldes im Bereich des Schmelzzonenrandes mittels eines ein Kühlmittel enthaltenden Kurzschlußringes aus elektrisch gut leitendem Material erzeugt und - damit der gesamte Stab bezüglich seines Umfanges im Schmelzprozeß gleichberechtigt ist - rotieren der rekristallisierende Stabteil und/oder der Vorratsstabteil während des Schmelzprozesses um die Ziehachse.

Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, ist in DE-OS 25 57 186 beschrieben. Hier ist in einer Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterialstäben, bei der der Stab in einem Rezipienten lotrecht angeordnet ist und eine den Stab ringförmig umgebende Induktionsheizspule die Schmelzzone erzeugt, zur Vermeidung von Wärmespannungen insbesondere im rekristallisierten Stabteil ein beweglicher Wärmeschirm aus thermisch stabilem, wärmeisolierendem Material angeordnet. Der Wärmeschirm ist zylinderförmig ein- oder zweiteilig ausgebildet und umschließt Stab und Induktionsheizspule.

Die genannten, dem Stand der Technik nach bekannten Lösungen sind in ihrer Realisierung technisch aufwendig, rufen unerwünschte Störungen des HF-Feldes hervor und sind für andere als kreisförmige Querschnitte des Vorratsstabes nicht geeignet.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterialstäben anzugeben, die unerwünschte Schmelzrelikte unterdrückt und dabei einen geringen technischen Aufwand erfordert, eine hohe Wirksamkeit auch bei Stäben mit nichtkreisförmigem Querschnitt gewährleistet und deren auftretende Nebenwirkungen auf die Kristallisationsbedingungen vernachlässigbar gering sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einer Vorrichtung der eingangs genannten Art das Mittel zur Beeinflussung des Temperaturgradienten ein auf der Oberseite der Induktionsheizspule angeordneter Wärmestrahlungsreflektor ist, der das aufzuschmelzende Ende des Vorratsstabteils konzentrisch mindestens teilweise umschließt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem auf der Oberseite der Induktionsheizspule angeordneten Wärmestrahlungsreflektor verringert die Strahlungsverluste am abschmelzenden Ende des Halbleitermaterialstabes aufgrund der Reflexion der Wärmestrahlung. Dies erfolgt in der erfindungsgemäßen Lösung in Höhe der Abschmelzfront, d. h. die Wirkung der reflektierten Strahlung tritt als Senkung der Wärmeverluste dort ein, wo sie unmittelbar benötigt wird. Damit wird bereits auf die Temperatur des aufzuschmelzenden Endes des Vorratsstabteils Einfluß genommen. Dadurch wird die sonst übliche scharfe periphere Kante verrundet und das Entstehen von Schmelzrelikten durch die höhere Wärmestrahlungsdichte unterdrückt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeigte wegen ihres sehr geringen Einflusses auf das HF-Feld entsprechend geringe Nebenwirkungen auf die Kristallisationsbedingungen. Da der Wärmestrahlungsreflektor thermisch mit der gekühlten Induktionsheizspule verbunden ist, erübrigt sich eine zusätzliche Kühlung. Er verursacht somit keine zusätzliche Kontamination.

Durch die Rotation des Vorratsstabes und die Reflexion der Wärmestrahlung auf diesen wird die gleiche Wirkung in allen Punkten seiner Oberfläche in der Höhe des Wärmestrahlungsreflektors erzielt, auch wenn der Querschnitt des Stabes von einem kreisförmigen abweicht.

Besonders geeignet ist die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Herstellung von Si-Stäben.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Induktionsheizspule, auf der der Wärmestrahlungsreflektor angeordnet ist, als einwindige Flachspule ausgebildet.

Von Vorteil hat sich erwiesen, den Wärmestrahlungsreflektor direkt als Teil der Induktionsspule auszubilden.

Der Wärmestrahlungsreflektor ist so hoch, daß er den Abschmelzbereich des Vorratsstabteils mindestens überdeckt, und sein Durchmesser ist dem des Vorratsstabteils angepaßt, ohne dieses zu berühren.

Der Wärmestrahlungsreflektor ist in einer Ausführungsform als mehrfach vertikal geschlitzter Metallring hoher elektrischer und hoher Wärmeleitfähigkeit sowie hohem Reflexionsvermögen, vorzugsweise aus Silber, ausgebildet. Zu Beobachtungszwecken ist der Metallring an beliebigen Stellen seines Umfanges unterbrochen, ebenfalls am Induktorspalt. Außerdem ist vorgesehen, daß der Metallring thermisch mit der Induktionsheizspule verbunden ist.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, den Wärmestrahlungsreflektor als doppelwandigen geschlossenen Quarzglasring, der eine temperaturfeste gut rückstreuende Substanz hermetisch umschließt, auszubilden. Diese Substanz kann TiO₂-Pulver sein.

In einer anderen Ausführungsform ist der Wärmestrahlungsreflektor ein Ring aus temperaturbeständigem rückstreuendem Keramikmaterial, vorzugsweise Al₂O₃. Auch diese Ausführungsform kann durchbrochen ausgebildet sein.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen schematisierten Ausschnitt der Vorrichtung, in dem die Induktionsheizspule mit darauf angeordnetem und mit ihr thermisch verbundenem mehrfach vertikal geschlitzten Metallring im Schnitt dargestellt ist;

Fig. 2 die Draufsicht des in Fig. 1 im Schnitt dargestellten Ausschnitts der Vorrichtung.

Der in Fig. 1 dargestellte Ausschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt einen Metallring 2 aus Silber, der auf der Oberseite der Induktionsheizspule 1, die einen Durchmesser von 148 mm aufweist, angeordnet und thermisch mit dieser, beispielsweise durch Löten, verbunden ist. Der Metallring 2 mit einen Durchmesser von 115 mm und einer Höhe von 12 mm weist vertikale Schlitze auf, damit nur ein geringer HF-Strom über diesen fließt. Die Induktionsheizspule 1 wird über den HF-Stromanschluß 3 gespeist. Zu erkennen ist, daß der Durchmesser des Metallrings 2 deutlich größer ist als der Durchmesser des Vorratsstabteils 4, der 105 mm beträgt, und seine Höhe so groß ist, daß er den Abschmelzbereich des Halbleitermaterialstabes vollständig überdeckt. Damit ist in diesem Bereich des Halbleitermaterialstabes genau an der Abschmelzfront eine intensive Wärmezufuhr einstellbar, so daß am aufschmelzenden Ende des Stabes keine Schmelzrelikte entstehen.

Fig. 2 zeigt die Draufsicht eines schematisierten Ausschnittes der Vorrichtung, die in Fig. 1 im Schnitt entlang AA′ dargestellt ist. Der Halbleitermaterialstab ist in dieser Figur der Einfachheit halber nicht gezeichnet.

Claims

1. Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterialstäben, bei der der Stab in einem Rezipienten lotrecht angeordnet ist, eine den Stab ringförmig umgebende Induktionsheizspule, deren Innendurchmesser kleiner als der Durchmesser des aufzuschmelzenden Vorratsstabteils ist, die Schmelzzone erzeugt und im Bereich der Schmelzzone ein Mittel zur Beeinflussung des Temperaturgradienten entlang der Ziehachse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Beeinflussung des Temperaturgradienten ein auf der Oberseite der Induktionsheizspule (1) angeordneter Wärmestrahlungsreflektor ist, der das aufzuschmelzende Ende des Vorratsstabteils (4) konzentrisch mindestens teilweise umschließt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsheizspule (1) als einwindige Flachspule ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmestrahlungsreflektor als Teil der Induktionsheizspule (1) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmestrahlungsreflektor so hoch ist, daß er den Abschmelzbereich des Vorratsstabteils (4) mindestens überdeckt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Wärmestrahlungsreflektors dem des Vorratsstabteils (4) angepaßt ist, ohne dieses zu berühren.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmestrahlungsreflektor als mehrfach vertikal geschlitzter Metallring (2) hoher elektrischer und hoher Wärmeleitfähigkeit sowie hohem Reflexionsvermögen ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring (2) aus Silber gebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring (2) thermisch mit der Induktionsheizspule (1) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring (2) an beliebigen Stellen seines Umfangs zu Beobachtungszwecken unterbrochen ist, ebenfalls am Induktorspalt.

10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmestrahlungsreflektor als doppelwandiger geschlossener Quarzglasring ausgebildet ist, wobei der Quarzglasring eine temperaturfeste gut rückstreuende Substanz hermetisch einschließt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die rückstreuende Substanz TiO₂-Pulver ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmestrahlungsreflektor als Ring aus temperaturbeständigem rückstreuendem Keramikmaterial ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das rückstreuende Keramikmaterial Al₂O₃ ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikring unterbrochen ist.