DE1205955B - Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines mit Phosphor dotierten Siliciumstabes im Vakuum - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES <^T^S PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

COIb

Deutsche Kl.: 12 i-33/02

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1205 955
S 71478IV a/12 i
30. November 1960
2. Dezember 1965

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines mit Phosphor dotierten Siliciumstabes im Vakuum, bei dem der Phosphorgehalt über die eine konstante Querschnittsgröße aufweisende Stablänge gleichmäßig verteilt ist. Ein solches Verfahren kann bekanntlich unter anderem dazu benutzt werden, dem Stab eine einkristalline Struktur zu geben oder die Dotierungskonzentration über den Stabquerschnitt zu vergleichmäßigen oder die Dotierungskonzentration herabzusetzen. Die Entwicklung des Zonenschmelzens war bisher gekennzeichnet durch das Streben nach höheren Werten der Ziehgeschwindigkeit zwecks Verkürzung der Behandlungszeit. Dabei ergab sich aber wegen des von 1 verschiedenen Verteilungskoeffizienten von Phosphor in Silicium eine Störung der Gleichmäßigkeit der Längsverteilung dieses Dotierungsstoffes im Stab. Es ist bekannt, die Gleichmäßigkeit der Längsverteilung durch das sogenannte »zone-levelling« wiederherzustellen, das darin besteht, daß der Stab mehreren Zonendurchgängen in entgegengesetzten Richtungen unterworfen wird. Demgegenüber läßt sich mit der Erfindung eine wesentliche Vereinfachung erzielen.

Die Erfindung besteht darin, daß mit einem Vakuum von weniger als 10~³ mm Hg gearbeitet und die Länge der Schmelzzone während ihrer Wanderung konstant sowie die Ziehgeschwindigkeit auf einem konstanten Wert zwischen 0,5 und 1,4 mm/ Min. gehalten wird. Hierdurch gelingt es überraschend, trotz verringerter Ziehgeschwindigkeit gegenüber der bisherigen Behandlungsweise die Gesamtdauer eines Prozesses zu verkürzen, weil man mit einer kleinstmöglichen Anzahl von Zonendurchgängen auskommt, unter Umständen sogar mit einem einzigen Zug. Das neue Verfahren ermöglicht unter anderem eine gezielte Dotierung, ausgehend von beispielsweise vorrätigen Stäben mit einer gegebenen Dotierungskonzentration, durch nachträgliche Verminderung der letzteren mittels Zonenschmelzen, und zwar mit einer wählbaren kleinstmöglichen Anzahl von Zonendurchgängen, ohne daß durch diese Behandlung die vorher vorhandene Gleichmäßigkeil über die Länge des Stabes in unerwünschtem Maße beeinträchtigt wird. Dabei wird von der Beobachtung, daß das Abdampfen von Dotierungsstoff einer Anreicherung der Schmelzzone mit demselben entgegenwirkt, in besonders vorteilhafter Weise Gebrauch gemacht, da wegen der Konstanz der wirksamen Einflußgrößen ein weitgehend selbsttätiger Ablauf des Prozesses mit einfachen Mitteln sichergestellt werden kann.

Zur Erläuterung des neuen Verfahrens ist in Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines mit Phosphor dotierten Siliciumstabes
im Vakuum

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,
ίο Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:
Dr. Arnulf Hoffmann, München;
Dr. Konrad Reuschel, Pretzfeld;
Otto Schmidt, Erlangen

F i g. 1 ein Teil eines Siliciumstabes dargestellt, der einem tiegelfreien Zonenschmelzprozeß unterworfen wird. Der Verlauf der Dotierungskonzentration über die Stablänge vor und nach einem Zonendurchgang ist beispielsweise aus F i g. 2 zu ersehen.

Nach F i g. 1 wird eine Schmelzzone mit der konstanten Länge Z und dem mittleren Zonendurchmesser d mit konstanter Ziehgeschwindigkeit vom Anfangspunkt Null in Pfeilrichtung durch einen Siliciumstab mit konstantem Querschnitt hindurchgeführt. Die behandelte Stablänge L reicht von der Stelle x=0, das ist derjenige Stabquerschnitt, der bei Beginn der Zonenwanderung zuerst erstarrt, bis zu der Stelle x=L, das ist derjenige Querschnitt, der bei Beendigung des Zuges die Grenze zwischen der Schmelzzone und dem wiedererstarrten Material bildet.

Darunter ist in F i g. 2 mit gleichem Abszissenmaßstab der Konzentrationsverlauf C₁ (x) des Phosphors im Siliciumstab über der Länge L aufgetragen. Die vor der Behandlung vorhandene, gegebenenfalls über den Stabquerschnitt gemittelte Phosphorkonzentration C₀ sei über die Stablänge L konstant angenommen. Während sich nun bei den bisher üblichen höheren Werten der Ziehgeschwindigkeit von einigen mm/Min, ein Konzentrationsverlauf entsprechend dem ausgezogenen Kurvenzug ABCD ergibt, weil beim Durchwandern des ersten Teiles des Stabes weniger Phosphor abdampft als durch Anreicherung der Schmelzzone hinzukommt, wird mit der erfindungsgemäßen Wahl einer geringeren Ziehgeschwindigkeit eine von Anfang an nahezu waagerecht ver-

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laufende Konzentrationsverteilung längs des Stabes gemäß der gestrichelten Linie A -E erzielt, weil die Schmelzzone infolge nahezu vollständiger Kompensation von Anreicherung und Abdampfung einen konstanten Phosphorgehalt aufweist und während des ganzen Durchganges durch die behandelte Stablänge L behält, so daß das Verhältnis der Konzentrationen vor und nach dem Passieren der Schmelzzone nicht nur an der Stelle A, sondern überall gleich

dem Kehrwert η- des Verteilungskoeffizienten ist.

Der untere Grenzwert der Ziehgeschwindigkeit von 0,5 mm/Min, ist hauptsächlich durch Wirtschaftlichkeitserwägungen gegeben, ferner darf die Geschwindigkeit auch deswegen nicht geringer sein, weil sonst die bekannten Nachteile einer stehenden Schmelzzone auftreten können. Die obere Grenze von 1,4 mm/ Min. ist dadurch bedingt, daß sich die Abweichungen von einem konstanten Wert der Dotierungskonzentration und damit des spezifischen Widerstandes längs einer gegebenen Stablänge in erträglichen Grenzen (etwa kleiner als 20%) halten. Sollen wesentlich kleinere Toleranzen eingehalten werden, so ist die Ziehgeschwindigkeit in einem engen Bereich zu wählen, nämlich zwischen 0,7 und 1,2 mm/Min.

Claims (2)

Patentansprüche: 5

1. Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines mit Phosphor dotierten Siliciumstabes im Vakuum, bei dem die zu behandelnde Stablänge eine konstante Querschnittsgröße und eine gleichmäßige Längsverteilung des Phosphorgehaltes aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Vakuum von weniger als 10~³mmHg gearbeitet, die Länge der Schmelzzone während ihrer Wanderung konstant sowie die Ziehgeschwindigkeit auf einem konstanten Wert zwischen 0,5 und 1,4 mm/Min, gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ziehgeschwindigkeit auf einem Wert zwischen 0,7 und 1,2 mm/Min, ge-

halten wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 032 555.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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