DE19610650A1 - Crucible-free floating zone crystal growth apparatus - Google Patents

Crucible-free floating zone crystal growth apparatus

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    • C30B13/00—Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting
    • C30B13/16—Heating of the molten zone
    • C30B13/20—Heating of the molten zone by induction, e.g. hot wire technique

Abstract

In an apparatus for crucible-free zone melting of a vertical semiconductor material rod, in which the molten zone is produced by a surrounding induction heating coil of inside diameter smaller than the diameter of the source rod portion to be melted, the temperature gradient along the pulling axis is controlled by a radiant heat reflector which is positioned on top of the coil (1) and which concentrically encloses the melting end of the source rod portion (4). Preferably, the reflector is a ring (2) which has several vertical slits and which consists of a metal (preferably silver) with high electrical and thermal conductivity and high reflectivity.

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.The invention relates to a device for crucible-free zone melting of semiconductor material rods, in which the rod is vertical in a recipient is arranged, an induction heating coil surrounding the rod in a ring, the Inner diameter smaller than the diameter of the one to be melted Is part of the supply rod, the melting zone is generated and in the area of the melting zone Means arranged to influence the temperature gradient along the drawing axis is.

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.The melting of a polycrystalline semiconductor material rod by means of a Induction heating coil in crucible floating zone crystal growing should be homogeneous with a smooth melting front in particular on the outer edge of the rod. It no material residues may remain, which no longer melt inductively because these residues can easily touch the induction heating coil and Cause short circuits between coil and rod, which lead to structural loss and necessary termination of the breeding process or to destroy the Lead induction heating coil. The prior art is different Solutions known to the surface of the semiconductor material rod before Smooth further processing. On the one hand, the staff in front of the Further processing rounded, which means a material loss of 10 to 15% means, on the other hand, by specifically influencing the temperature field Formation of such undesired melting relics reduced from the outset or suppressed.

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.So DE-OS 12 75 966 provides an additional induction heating coil around Arrange supply rod to form the smelting relics, peaks on the edge of the interfaces to be melted.

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.In DE-OS 28 12 216 is a method for melting the supply rod shown, in which the inner diameter of the induction heating coil is smaller than that of the supply rod to be melted. Here is at least partially a high one Gradient of the coil field in the area of the melting zone edge by means of a Short-circuit ring containing coolant made of electrically highly conductive material generated and - so the entire rod with respect to its scope in the melting process  is equal - rotate the recrystallizing part of the rod and / or Part of the supply rod during the melting process around the drawing axis.

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.The prior art from which the invention is based is in DE-OS 25 57 186 described. Here is in a device for crucible-free zone melting of Semiconductor material rods, in which the rod is arranged vertically in a recipient and the induction heating coil surrounding the rod in a ring is the melting zone generated to avoid thermal stresses, especially in recrystallized Rod part a movable heat shield made of thermally stable, heat-insulating Material arranged. The heat shield is cylindrical in one or two parts trained and encloses rod and induction heating coil.

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.The solutions mentioned which are known from the prior art are in their Realization technically complex, call undesirable disturbances of the HF field and are not for cross sections of the supply rod other than circular suitable.

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.It is therefore an object of the invention to provide a crucible-free device Zone melting of semiconductor material rods indicate the undesirable Suppresses melting relics and requires little technical effort, high effectiveness even with bars with a non-circular cross-section guaranteed and their occurring side effects on the Crystallization conditions are negligible.

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.The object is achieved in that in a device type mentioned at the beginning of the means for influencing the temperature gradient heat radiation reflector arranged on the top of the induction heating coil is the at least the end of the supply rod part to be melted concentrically partially encloses.

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.The device according to the invention on the top of the Induction heating coil arranged heat radiation reflector reduces the Radiation losses due to the melting end of the semiconductor material rod the reflection of heat radiation. This takes place in the solution according to the invention in Height of the melting front, d. H. the effect of the reflected radiation occurs as Reduction of heat loss where it is needed immediately. So that will already influence the temperature of the end of the supply rod part to be melted  taken. This rounds off the otherwise usual sharp peripheral edge the emergence of melting relics due to the higher heat radiation density suppressed. The device according to the invention showed because of its very small Influence on the HF field correspondingly low side effects on the Crystallization conditions. Since the heat radiation reflector thermally with the cooled induction heating coil, additional cooling is unnecessary. It therefore does not cause additional contamination.

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.Due to the rotation of the supply rod and the reflection of the heat radiation this will have the same effect in all points of its surface at the height of the Heat radiation reflector achieved, even if the cross section of the rod of one circular deviates.

Besonders geeignet ist die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Herstellung von Si-Stäben.The device according to the invention is particularly suitable for the production of Si rods.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Induktionsheizspule, auf der der Wärmestrahlungsreflektor angeordnet ist, als einwindige Flachspule ausgebildet.In one embodiment of the invention, the induction heating coil on which the Heat radiation reflector is arranged as a single-winding flat coil.

Von Vorteil hat sich erwiesen, den Wärmestrahlungsreflektor direkt als Teil der Induktionsspule auszubilden.It has proven advantageous to use the heat radiation reflector directly as part of the Form induction coil.

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.The heat radiation reflector is so high that it covers the melting range of the Supply rod part at least covered, and its diameter is that of Adjusted part of the supply rod without touching it.

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.In one embodiment, the heat radiation reflector is multiple vertical slotted metal ring of high electrical and high thermal conductivity as well as high Reflectivity, preferably made of silver. To The metal ring is used for observation purposes at any point along its circumference interrupted, also at the inductor gap. It is also provided that the Metal ring is thermally connected to the induction heating coil.

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. Another embodiment provides for the heat radiation reflector double-walled closed quartz glass ring, which is a temperature-resistant well hermetically encloses backscattering substance. This substance can Be TiO₂ powder.  

In einer anderen Ausführungsform ist der Wärmestrahlungsreflektor ein Ring aus temperaturbeständigem rückstreuendem Keramikmaterial, vorzugsweise Al₂O₃. Auch diese Ausführungsform kann durchbrochen ausgebildet sein.In another embodiment, the heat radiation reflector is a ring temperature-resistant backscattering ceramic material, preferably Al₂O₃. Also this embodiment can be openwork.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:An exemplary embodiment is explained in more detail below with reference to the drawings. Show:

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; Figure 1 is a schematic section of the device, in which the induction heating coil is shown with its arranged and thermally connected multiple vertically slotted metal ring in section.

Fig. 2 die Draufsicht des in Fig. 1 im Schnitt dargestellten Ausschnitts der Vorrichtung. Fig. 2 is a plan view of the section of the device shown in section in Fig. 1.

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.The detail of the apparatus according to the invention shown in Fig. 1 shows a metal ring 2 made of silver, which is on top of the induction heating coil 1 having a diameter of 148 mm, arranged and thermally connected thereto, for example by soldering. The metal ring 2 with a diameter of 115 mm and a height of 12 mm has vertical slots, so that only a small HF current flows over it. The induction heating coil 1 is fed via the HF current connection 3 . It can be seen that the diameter of the metal ring 2 is significantly larger than the diameter of the supply rod part 4 , which is 105 mm, and its height is so large that it completely covers the melting area of the semiconductor material rod. In this area of the semiconductor material rod, an intensive heat supply can be set precisely at the melting front, so that no melting relics occur at the melting end of the rod.

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. Fig. 2 shows the top view of a schematic section of the device, which is shown in Fig. 1 in section along AA '. The semiconductor material rod is not drawn in this figure for the sake of simplicity.

Claims (14)

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.1.Device for the crucible-free zone melting of semiconductor material rods, in which the rod is arranged vertically in a recipient, an induction heating coil surrounding the rod in a ring, the inside diameter of which is smaller than the diameter of the part of the supply rod to be melted, which produces the melting zone and in the region of the melting zone a means for influencing it of the temperature gradient is arranged along the drawing axis, characterized in that the means for influencing the temperature gradient is a heat radiation reflector arranged on the top of the induction heating coil ( 1 ), which concentrically at least partially surrounds the end of the supply rod part ( 4 ) to be melted. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsheizspule (1) als einwindige Flachspule ausgebildet ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the induction heating coil ( 1 ) is designed as a single-winding flat coil. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmestrahlungsreflektor als Teil der Induktionsheizspule (1) ausgebildet ist.3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the heat radiation reflector is designed as part of the induction heating coil ( 1 ). 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmestrahlungsreflektor so hoch ist, daß er den Abschmelzbereich des Vorratsstabteils (4) mindestens überdeckt.4. The device according to claim 1, characterized in that the heat radiation reflector is so high that it at least covers the melting area of the supply rod part ( 4 ). 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Wärmestrahlungsreflektors dem des Vorratsstabteils (4) angepaßt ist, ohne dieses zu berühren. 5. The device according to claim 1, characterized in that the diameter of the heat radiation reflector is adapted to that of the supply rod part ( 4 ) without touching it. 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.6. The device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the heat radiation reflector is designed as a vertically slotted metal ring ( 2 ) of high electrical and high thermal conductivity and high reflectivity. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring (2) aus Silber gebildet ist.7. The device according to claim 6, characterized in that the metal ring ( 2 ) is formed from silver. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring (2) thermisch mit der Induktionsheizspule (1) verbunden ist.8. The device according to claim 6, characterized in that the metal ring ( 2 ) is thermally connected to the induction heating coil ( 1 ). 9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring (2) an beliebigen Stellen seines Umfangs zu Beobachtungszwecken unterbrochen ist, ebenfalls am Induktorspalt.9. The device according to claim 6, characterized in that the metal ring ( 2 ) is interrupted at any point on its circumference for observation purposes, also at the inductor gap. 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.10. The device according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the heat radiation reflector as a double-walled closed quartz glass ring is formed, the quartz glass ring being a temperature-resistant, good backscattering Hermetically encloses substance. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die rückstreuende Substanz TiO₂-Pulver ist.11. The device according to claim 10, characterized in that the backscattering substance is TiO₂ powder. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmestrahlungsreflektor als Ring aus temperaturbeständigem rückstreuendem Keramikmaterial ausgebildet ist.12. The device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the heat radiation reflector as a ring made of temperature-resistant backscattering Ceramic material is formed. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das rückstreuende Keramikmaterial Al₂O₃ ist. 13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the backscattering ceramic material is Al₂O₃.   14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikring unterbrochen ist.14. The apparatus according to claim 12, characterized in that the ceramic ring is interrupted.
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