DK142586B - Apparat til zonesmeltning af en halvlederstav. - Google Patents

Description

(11) FREMLÆ6GEISESSKRIFT 1^2586 DANMARK «"> Int.CI.8 c 30 B 13/28 §(21) Artsegning nr. 3065/77 (22) Indleveret den 7· jul. 1977 (24) Lgbedag 7· Jul. 1977 (44) Ansøgningen fremtogt 00 .

fremleggetoesskriftet offentliggjort den 24. nov. 1 980 DIREKTORATET FOR j ' · PATENT-OG VAREMÆRKEVÆSENET <30> PnoHtet begæret fre den (71) TOPS IL A/s, Linderupvej 4, 3 600 Frederikssund, DK.

(72) Opfinder: Noel de Leon, Snorresvej 12, 3600 Frederikssund, DK.

(74) Fuldmesgtig undar sagens behandling:

Patentagentfirmaet Magnus Jensens Eftf._ (54) Apparat til zonesmeltning af en halvlederstav.

Den foreliggende opfindelse angår et apparat til zonesmeltning af en halvlederstav, som angivet i kravets indledning.

Ved induktiv opvarmning af halvledermateriale, såsom silicium, er det sædvanligt, at man anvender en højfrekvent energikilde. Effektiv opvarmning af silicium ved induktion kraver meget højere frekvenser - af størrelsesordenen 7 -10 MHz - end eksempelvis opvarmning af et metal. Almindeligvis frembringes den højfrekvente energi ved hjælp af en effektoscillators resonanskredsløb og afgives til en induktionsspole, hvis diameter er lille for at fremkalde et kraftigt Induktionsfelt. Et kraftigt induktionsfelt er nødvendigt, fordi resistansen af ultrarent mono- eller polykrystallinsk silicium ved stuetemperatur er meget stor, hvorfor det er vanske- 2 142586 ligt at begynde den induktive opvarmning. Når først opvarmningen er begyndt, falder materialets resistans med voksende temperatur. Den induktive opvarmning bliver altså stedse mere effektiv. Den accelererende virkning fortsætter, indtil dele af siliciummaterialet når smeltepunktet. Ved smeltepunktet falder resistansen brat med en faktor på mere end 20. Den tilsvarende bratte stigning i koblingen mellem spolen og materialet medfører en meget hurtig temperaturforøgelse, som kan give termiske chok.

Zonesmeltningsraffinering af silicium initieres typisk ved, at den tilspidsede ende af en forholdsvis tyk fødestav af polykry-stallinsk silicium anbringes i en induktionsspole nær et moderkrystal. Når den induktive opvarmning er begyndt, stiger temperaturen af fødestavens spidse ende hurtigt til smeltepunktet, medens den resterende del af staven forbliver forholdsvis kold. Den termiske påvirkning som følge af den store temperaturforskel kan medføre væsentlige problemer såsom sprængning af staven.

Fra beskrivelsen til US-patent nr. 3.265.470 er det kendt at håndregulere oscillatorfrekvensen og/eller strømstyrken ved smeltezonens passage af moderkrystallet. Dette sker for at hindre diameterforøgelse af moderkrystallet, og håndreguleringen, med hvilken man søger at holde strømstyrken konstant, er ikke tilstrækkelig effektiv til at kompensere for den bratte resistansændring.

Formålet med den foreliggende opfindelse er at anvise et apparat af den omhandlede art, hvor risikoen for de nævnte termiske chok er elimineret.

Dette opnås ifølge opfindelsen ved den i kravet anviste udformning.

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere i forbindelse med tegningen, hvor fig. 1 viser et blokdiagram for et apparat ifølge opfindelsen, fig. 2 en grafisk afbildning af siliciums resistans som funktion af temperaturen, og fig. 3 en grafisk repræsentation af temperaturforløbet ved to forskellige'opvarmningsmetoder.

Fig. 1 viser skematisk eu apparat til induktiv opvarmning af en halvleder i henhold til den foreliggende opfindelse, i appara-tet indgår en triode 12, som udgør kredsløbets oscillerende e -lement. Triodens katode er stelforbundet ved 14, medens gitteret er forblindet til en første terminal 16 på et gitterforspændings-kredsløb 18. En anden terminal på kredsløbet 18 er forbundet til stelterminalen 14. Triodens 12 anode er forbundet til en spændingsforsyning 38 og til den ene ende af en kondensator 24.

3 142586

Spændingsforsyningen 38 er også forbundet til et styrekredsløb 26 og til den ene ende af en modstand 22, hvis anden ende er forbundet til stelterminalen 14 og til styrekredsløbet 26. Den anden ende af kondensatoren 24 er forbundet til en første indgangsterminal på et oscillatorkredsløb 30, hvis anden indgangsterminal er forbundet til stel. Oscillatorkredsløbets udgang er forbundet til en induktionsspole 32, der er fysisk dimensioneret til netop at kunne omslutte en del af det halvledermateriale 34, som skal opvarmes ved induktion. Styrekredsløbets 26 udgang er forbundet til en styreindgang på spændingsforsyningen 38.

Fig. 2 viser sammenhængen mellem siliciums resistans og temperatur, idet logaritmen af resistansen er afbildet som funktion af den reciprokke af temperaturen. Det fremgår af figuren, at resistansen for temperaturer under smeltepunktet (eksempelvis for T = 1100°C) er en logaritmisk funktion. Ved smeltepunktet (T = 1420°C) ændres resistansen brat fra ΡΊ = 1700 10“^ ohm . cm til. Pg = 81 . 10 ohm . cm. Dette bratte fald i resistans har en signifikant virkning, når et apparat som det i fig. 1 viste benyttes til zonesmeltning af materialet. Dette skyldes, at den mængde højfrekvent energi, som overkobles fra spolen 32 til materialet, er omvendt proportional med resistansen. Efterhånden som forskellige dele af materialet når smeltepunktet, vil energioverførslen altså forøges kraftigt.

Fig. 3 viser ved kurve 100 den accelererende virkning på materialets temperatur, når spændingskilden 38 afgiver en konstant spænding. I dette tilfælde er den eneste begrænsende faktor for den energi, som frembringes i oscillatortrioden 12, systemets samlede impedans, som bestemmes af halvledermaterialets resistans.

Som vist i kurve 100 medfører den accelererende effekt med en indtrædende smeltning af et materialeområde dannelse af en smeltezone på meget kort tid (omkring 3 sekunder).

Denne hurtige opvarmning medfører som anført i indledningen alvorlige termiske chok, som kan skabe problemer i de delikate fysiske arrangementer, der oftest anvendes ved zoneraffinering. Et eksempel er det arrangement, hvor et moderkrystal bringes i forbindelse med en smeltet stav af polykrystallinsk silicium til igangsættelse af en proces, hvor et monokrystallinsk emne med større diameter dyrkes fra moderkrystallet. Ved de termiske chok, der følger af den hastige opvarmning,kan den forholdsvis sarte fødestav ødelægges.

4 142586

Fig. 3 viser i kurve 102 en meget mere gradvis temperaturstigning. Denne opnås ved, at det i fig. 1 viste apparat arbejder med begrænset eller konstant strøm. Når smeltning af materialet 34 påbegyndes* og koblingen mellem materialet og induktionsspolen 32 derved forøges, reguleres den overførte højfrekvensenergi ved, at strømmen til triodens 12 anode begrænses til en konstant værdi. Fig. 1 viser en kobling til opnåelse af dette. Når anodespændingen når den forudvalgte værdi, vil spændingsfaldet over modstanden 22 medføre, at styrekredsløbet 26 til spændingskilden 38 afgiver et strømmen fastholdende styresignal. Kurve 102 illustrerer temperaturstigningen i materialet 34 ved en begrænsning af anodestrømmen til eksempelvis 1-1,5 A. Materialet opvarmes langsomt - foretrukket i løbet af et minut eller mere - fra 500° til omkring 1100°C. Denne fremgangsmåde eliminerer de termiske chokproblemer. Når temperaturen har nået den stabile værdi (T = 1100°C), kan apparatet omkobles manuelt eller ved en passende udbygning af styrekredsløbet 26 til at arbejde med konstant spænding som tidligere anvendt.