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Verfahren zum tiegellosen Zonenziehen von Halbleitermaterial
Das tiegellose Zonenziehen von Halbleitermaterial, bei dem ein Halbleiterstab, insbesondere ein aus hochreinem Silizium bestehender Stab, an seinen Enden gehaltert ist und eine mittels induktiver Erhitzung durch eine Hochfrequenzspule erzeugte Schmelzzone zwischen den beiden gehalterten Enden des Stabes in Richtung der Stabachse entlanggeführt wird, ist bereits durch das Verfahren von C. Theurer bekannt.
Es wird zur Reinigung von Halbleitermaterial und bzw. oder zur Herstellung eines einkristallinen Halbleiterstabes angewendet.
Die Erfindung schlägt ein Verfahren vor, welches es ermöglicht, beim tiegellosen Zonenziehen einen einkristallinen Halbleiterstab definierter, d. h. in einem gewünschten Bereich gleichbleibender Dicke herzustellen. Es ist das wesentliche Merkmal des Verfahrens gemäss der Erfindung, dass durch den von einer Hochfrequenzstromquelle in eine die Schmelzzone des Halbleiterstabes umgebende Spule eingespeisten Strom, der sich bei sich ändernder Dicke des Stabes ebenfalls ändert, eine Einrichtung gesteuert wird, die die beiden Halterungen des Halbleiterstabes einander nähert bzw. voneinander entfernt, bis der Strom in der Hochfrequenzenspule wieder den gewünschten Wert hat.
Beim Verfahren gemäss der Erfindung ist es zweckmässig, dass die Schmelzzone von der sehr kurzen, im wesentlichen nur die Schmelzzone umfassenden Hochfrequenzspule erzeugt wird und die durch Änderung der Dicke des Stabes entstehende Änderung des das Schmelzen bewirkenden Hochfrequenzstromes zur Steuerung der den Abstand der Halterungen regelnden Einrichtungen verwendet wird.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird durch Eintauchen bzw. Herausziehen eines Metallkörpers die Induktivität einer zweiten Spule, die mit der Hochfrequenzspule, die den Halbleiterstab umgibt, in Reihe geschaltet ist und damit die Dicke des Halbleiterstabes während des Ziehens verändert.
Es ist zweckmässig, aber nicht unbedingt notwendig, dass die zur Steuerung der Dicke des Halbleiterstabes verwendete Hochfrequenzspule gleichzeitig die Schmelzzone aufheizt. Gegebenenfalls kann für die Dickenregelung auch eine eigene Spule, die von einem gesonderten Hochfrequenzgenerator gespeist wird, vorgesehen sein.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch den Vorgang der Dickenregelung, Fig. 2 ein Leistungsdiagramm und Fig. 3 ein Heizsystem.
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veranschaulicht. Im Ausführungsbeispiel dient die Hochfrequenzspule 5 zugleich zur Aufheizung der Zone 4. Diese ganze Anordnung befindet sich in einem hier nicht gezeichneten Quarzrohr in einer Schutzgasatmosphäre. Um die Schmelzzone zu vergrössern, kann auch noch zusätzlich eine Stützfeldspule vorgesehen sein. Stützfeldspule und Hochfrequenzspule 5 sind so angeordnet, dass sie mit vorgegebener Geschwindigkeit am Stab entlanggeführt werden können. Wird die Schmelzzone z. B. in der durch den Pfeil 18 angedeuteten Richtung geführt, so wird erfindungsgemäss die Vorrichtung zum Stauchen und Strecken des Stabes während des Zonenziehens an dem mit 2 bezeichneten Ende des Halbleiterstabes angeordnet.
Allgemein ist sie immer an dem Ende des Stabes angeordnet, das zuletzt erstarrt, da dann die durch das Stauchen und Ziehen des Stabes gegebenenfalls auftretenden Fehler im Kristallgitter durch die nachfolgende Schmelzzone beseitigt werden können, so dass Stäbe mit guter Kristallperfektion erhalten werden.
Zur Kompensation des induktiven Blindwiderstandes der Spule 5 kann z. B. ein Kondensator 6 der Hochfrequenzspule parallel geschaltet werden. Das hat den Vorteil, dass der Hochfrequenzgenerator 7 nur den durch die Heizleistung sowie durch die ohm'schen Verluste von Spule 5 und Kondensator 6 bedingten Wirkstrom abgeben muss, der viel kleiner ist als der durch die Spule fliessende Blindstrom.
Der durch die Spule 5 und den Kondensator 6 gebildete Schwingkreis, der gegen den inneren Sendeschwingkreis des Generators verstimmt ist, ist kapazitiv oder induktiv an den Sendeschwingkreis angekoppelt. Dabei ist die Ankopplung so lose, dass auch bei einer durch die Dickenänderung des Halbleiterstabes bedingten weiteren Verstimmung des Heizkreises das System Generator-Heizkreis auf einer Frequenz schwingt.
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Durch den in der Spule 5 fliessenden Hochfrequenzstrom wird in dem von der Spule umgebenen Teil des Halbleiterstabes eine Spannung induziert, die einen Strom hervorruft, dessen Magnetfeld dem von der Spule erzeugten entgegenwirkt. Man kann diesen Teil des Halbleiterstabes also mit einer Spulenwindung vergleichen. Bekanntlich ist der Kopplungsfaktor solcher Spulenanordnungen eine Funktion der geometrischen Abmessungen der Spulen und dem Durchmesser der inneren Spule proportional.
Ändert sich deshalb während der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens die Dicke des Halbleiterstabes, so ändert sich auch der Kopplungsfaktor und damit der zwischen den Klemmen 12 und 13 gemessene Widerstand ZH des Heizkreises. Diese Belastungsänderung wirkt sich in einer Anodenstrom- änderung, die durch das Instrument 8 angezeigt wird, aus. Einer bestimmten Dicke des Stabes entspricht also ein ganz bestimmter Wert des Anodenstromes.
Der Widerstand 9 wird nun zu Beginn des erfindunggemässen Verfahrens so eingestellt, dass ein Anodenstrom, wie er der gewünschten Dicke entspricht, an diesem Widerstand einen Spannungsabfall hervorruft, der gleich der von der Batterie 10 abgegebenen Spannung ist, so dass das gepolte Relais 11 in Ruhestellung 15 liegt. Ändert sich nun im Verlauf des Verfahrens die Dicke des Halbleiterstabes und damit der Anodenstrom des Generators, so zieht das Relais an und schliesst, je nachdem, in welcher Richtung die Stromänderung erfolgt, den Kontakt 16 oder 17. Durch Schliessen eines dieser Kontakte wird durch einen Motor 21 über ein nicht gezeichnetes Getriebe das Zahnrad 19 entlang der Zahnstange 20 in Bewegung gesetzt und der Halbleiterstab abhängig von der Drehrichtung des Zahnrades gestreckt oder gestaucht.
In Fig. 2 ist die vom Generator abgegebene Leistung N in Abhängigkeit von dem Verhältnis von Belastungswiderstand ZH zum Ausgangswiderstand des Senders Zs dargestellt. Die abgegebene Leistung ist bekanntlich bei Anpassung, d. h. ZH = Zs, am grössten. Bei dem durch die Erfindung vorgeschlagenen
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stabes, die durch die Regelung beibehalten werden soll, die vom Generator abgegebene Leistung etwa der im Punkt A entspricht, also im steigenden Ast der Kurve gearbeitet wird. Aus dem bereits weiter oben Ausgeführten ergibt sich, dass für einen dünner werdenden Stab der Kopplungsfaktor kleiner, d. h. die Kopplung zwischen der Hochfrequenzspule und dem durch eine Spulenwindung versinnbildlichten Teil des Halbleiterstabes loser wird und damit ZH grösser.
Aus dem Diagramm der Fig. 2 kann man entnehmen, dass die Anpassung dann besser wird, d. h. die abgegebene Leistung und deshalb auch der Anodenstrom ansteigt. Wird umgekehrt der Halbleiterstab dicker, also die Kopplung fester, so wird ZH kleiner und der Anodenstrom ebenfalls.
Der Belastungswiderstand ZH kann auch so gewählt werden, dass im abfallenden Kurvenast, also etwa im Punkt B gearbeitet wird, d. h. dass bei dünner werdendem Stab, also anwachsendem ZH, die vom Generator abgegebene Leistung N und damit der Anodenstrom kleiner wird. Um zu erreichen, dass die Dickenregelung in der gewünschten Richtung erfolgt, muss dann das Relais 11 gegenüber dem Verfahren, bei dem der Arbeitspunkt im steigenden Kurvenast, also etwa bei A liegt, gerade umgekehrt gepolt werden.
Liegt der Arbeitspunkt im steigenden Kurvenast, so steigt bei dünner werdendem Stab der durch das Instrument 8 angezeigte Anodenstrom an. Das Relais 11 muss so gepolt sein, dass es z. B. den Kontakt 16 schliesst, wodurch eine Drehung des Motors 21 bedingt ist, die das Zahnrad 19 in Richtung des Pfeiles 22 bewegt, so dass der Halbleiterstab gestaucht wird, d. h. dass sich die beiden Enden 2 und 3 einander nähern, u. zw. so lange, bis der Anodenstrom wieder den gewünschten Wert hat und das Relais 11 wieder in die Ruhestellung 15 abfällt.
Bei dicker werdendem Stab wird der Anodenstrom kleiner, das Relais 11 schliesst z. B. den Kontakt 17, wodurch der Motor 21 das Zahnrad in Richtung des Pfeiles 23 in Drehung versetzt, so dass der Halbleiterstab so lange gestreckt wird, bis der Anodenstrom sich wieder auf den gewünschten Wert einstellt und somit das Relais 11 abfällt.
Um bei diesem erfindungsgemässen Verfahren die Dicke des Halbleiterstabes während des Ziehens zu verändern, wird z. B. zwischen die Klemmen 12 und 13 das in Fig. 3 dargestellte Heizsystem geschaltet.
Zusätzlich zur Hochfrequenzspule 24, die den Halbleiterstab 1 umgibt, ist eine zweite Spule 25 in Reihe geschaltet. Der Blindwiderstand dieser beiden Spulen kann z. B. wieder durch einen Kondensator 26 kompensiert werden. Beispielsweise durch Eintauchen bzw. Herausziehen eines Metallkörpers 27 kann die Induktivität der Spule 25 verändert werden und damit der zwischen den Klemmen 12 und 13 wirksame Belastungswiderstand des Systems, d. h. der Anodenstrom bzw. die Dicke des Halbleiterstabes.
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