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Vorrichtung zur Behandlung von Materialien durch Zonenerhitzung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Behandlung von Materialien durch Zonenerhitzung mittels eines einen Teil einer Charge eines solchen Materials umgebenden, elektrisch leitenden Heizringes, der in der Längsrichtung der Charge verschoben und mit Hilfe eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes induktiv erhitzt wird. Unter Zonenerhitzung wird hiebei ein Verfahren verstanden, bei dem eine sich im wesentlichen in einer Dimension erstreckende Charge eines zu behandelnden Materials, z. B.
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den ist und das bei der Behandlung schmelzbarer Materialien, insbesondere halbleitender Materialien, Anwendung findet, z. B. um diese Materialien zu reinigen, mit einem wirksamen Störstoff zu dotieren und/oder in Einkristallform zu bringen.
Gemäss einer bekannten Ausführungsform der vorstehend erwähnten Vorrichtung wird der Heizring mittels einer an ihm befestigten Steuerstange mechanisch verschoben. Die Verwendung einer derartigen Stange hat jedoch Nachteile. Die Stange bildet eine Quelle von Wärmeverlusten für den erhitzten Ring und kann wenigstens auf einem Teil ihrer Länge so erhitzt werden, dass fUr das zu behandelnde Material unerwünschte Verunreinigungen aus ihr verdampfen und die das Material umgebende Atmosphäre vergiften. Eine weitere Schwierigkeit ist die, dass das zu behandelnde Material und der Heizring häufig in einem gegen die Umgebung verschlossenen Raum angeordnet sind.
In diesem Falle muss zum Steuern des Heizringes die Steuerstange gasdicht und beweglich durch die Wand dieses Raumes hindurchgeführt werden, wodurch die Vorrichtung kompliziert wird und die Gefahr eines Lecks und der Verunreinigung des zu behandelnden Materials infolge dieses Lecks erhöht wird.
Die Erfindung bezweckt unter anderem, diese Nachteile zu beseitigen. Sie benutzt die Tatsache, dass ein elektromagnetisches Feld auf einen Ringleiter infolge der in diesem vom Feld erzeugten Induktionsströme Kräfte ausübt, die bestrebt sind, den Ring in einer Richtung zu bewegen, in der die Feldstärke ab- nimmt. Bei der Vorrichtung gemäss der Erfindung erfolgt die Verschiebung des Heizringes mit Hilfe der vom elektromagnetischen Hochfrequenzfeld selber ausgeübten Kräfte.
Vorzugsweise ist das elektromagnetische Feld so aufgebaut, dass die Komponenten seiner Feldstärken in der Längsrichtung der Charge örtlich einen Mindestwert aufweisen, wobei das Feld allmählich in der Längsrichtung der Charge verschoben wird. Ein derartiges Feld übt auf den Ring Kräfte aus, die diesen zum Mindest- wert treiben, wo diese Kräfte sich ausgleichen. Infolgedessen wird der Ring mit der Verschiebung dieses Mindestwertes mit verschoben. Ein solches Feld wird vorzugsweise von mindestens zwei in bezug auf die Charge und in deren Längsrichtung verschiebbare Hochfrequenzspulen erzeugt, die in dieser Längsrichtung betrachtet hintereinander liegen und sich je bei einem Ende des Heizringes befinden. Bei gemeinsamer Verschiebung der beiden Spulen in der Längsrichtung der Charge wird der Ring zwischen diesen Spulen mitverschoben.
Vorzugsweise haben die von jeder der beiden Spulen erzeugten Teilfelder gleichen Richtungssinn, wodurch die Gesamtfeldstärke an der Stelle des Ringes möglichst hoch wird und eine möglichst günstige Energieübertragung auf den Ring zu dessen Erhitzung erhalten wird, wie nachstehend näher erläutert wird. Die beiden Spulen müssen zu diesem Zweck im gleichen Sinne von Hochfrequenzströmen
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gleicher Frequenz durchflossen werden.
Der Heizring kann mittels mindestens eines sich in der Längsrichtung der Charge erstreckenden Führungsgliedes so gehaltert werden, dass seine Achse'wenigstens nahezu parallel zur Längsrichtung der Charge verläuft. Als Führungsglied findet z. B. ein zylindrisches Rohr Verwendung, in das der Ring mit geringem Spiel passt und das zugleich auf an sich bekannte Weise eine Wand eines Raumes bildet, in dem die Atmosphäre regelbar ist. Die Spulen können dabei auf bekannte Weise um dieses Rohr vorgesehen sein, so dass sie leicht von aussen her gesteuert werden können.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert, in der Fig. 1 eine Vorrichtung zum Zonenerhitzen teilweise im Vertikalschnitt und teilweise schaubildlich darstellt, und Fig. 2 den Verlauf der Feldstärke des von den beiden Spulen nach Fig. 1 erzeugten elektromagnetischen Feldes graphisch darstellt.
In Fig. l bezeichnet 1 ein Quarzglasrohr, das an den nicht dargestellten Enden mit gasdichten Abschlussgliedern versehen ist, in denen gegebenenfalls Öffnungen zum Einleiten und Abführen von Gasen angebracht sein können. Im Rohr befindet sich ein langgestreckter Tiegel 2 aus Quarz oder einem andern feuerfesten, vorzugsweise elektrisch schlecht leitenden Material, in dem eine Charge 3 des zu behandelnden Materials, z. B. eines halbleitenden Materials, wie Germanium, Silizium oder einer Verbindung von Typ AIIIBV oder A IBVI, in langgestreckter Form angebracht ist. Der Tiegel 2 stützt sich mit Füssen 4 auf der Innenseite des Rohrs 1 ab. Der Tiegel 2 wird im Rohr 1 von einem Graphitring 5 frei umgeben, der an der Aussenseite mit langgestreckten Ansätzen 6 versehen ist.
Mit diesen Ansätzen ruht der Ring an der Unterseite auf der Innenwand des Rohrs 2, während auf seiner Oberseite ein geringer Spielraum zwischen der Rohrwand und den Ansätzen besteht.
Auf dem Rohr sind zwei Hochfrequenzspulen 7 und 8 mit je einer einzigen Windung vorgesehen, die an einen nicht dargestellten Hochfrequenzgenerator angeschlossen werden können. Sie sind mechanisch miteinander verbunden (dies ist nicht dargestellt) und ihr Abstand voneinander ist etwas grösser als die in axialer Richtung gemessene Länge des Graphitringes 5. Die beiden Spulen sind vorzugsweise in Reihe oder parallelgeschaltet, u. zw. derart, dass sie im gleichen Sinne vom Hochfrequenzstrom durchflossen werden.
Um im Material 3 eine geschmolzene Zone zu erzielen, werden die Spulen 7 und 8 durch einen vom Hochfrequenzgenerator erzeugten Hochfrequenzstrom von 1 MHz erregt, wodurch ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld erzeugt wird, dessen Feldstärke an der Stelle des Ringes 5 einen Mindestwert aufweist.
Die beiden Spulen werden jetzt so verschoben, dass der Ring durch die vom Feld ausgeübten Kräfte zur Stelle geführt wird, an der die erhitzte Zone im zu behandelnden Material gebildet werden soll. Dann wird die Stromstärke in den Spulen gesteigert, wobei der Graphitring stärker erhitzt wird und sich im zu behandelnden Material eine geschmolzene Zone 9 ergibt. Die geschmolzene Zone lässt sich dann durch Verschiebung der Spulen allmählich verschieben, wobei der Graphitring mit dem Mindestwert des von den beiden Spulen erzeugten Feldes mitverschoben wird. Die Ansätze 6 besorgen eine gute Führung des Ringes imRohr 1. Zwecks Erzielung einer regelmässigen Verschiebung entgegen der Wirkung der Reibungskräfte zwischen den Ansätzen 6 und der Innenwand des Rohrs kann der untere Teil dieser Wand mit einer dünnen Graphitschicht überzogen sein.
Die statische Reibung (Haftreibung) kann auch dadurch beseitigt werden, dass das Rohr 1 mechanisch in Schwingung versetzt wird, z. B. mittels einer nicht dargestellten Schwingvorrichtung.
Die Länge des Ringes bestimmt die Länge der geschmolzenen Zone 9. Um eine Zone geringer Länge zu erhalten, muss ein kurzerHeizringVerwendung finden. Um in diesem Falle eine gute Führung des Ringes im Rohr zu gewährleisten, können die Ansätze 6 eine grössere Länge aufweisen als der Ring selbst, so dass sie an einer oder beiden Seiten des Ringes vorstehen.
Fig. 2 zeigt schematisch eine graphische Darstellung, in der in senkrechter Richtung der Wert der auf die Längsrichtung der Charge projizierten Komponenten der in der Achse der Spule 7 und 8 der Fig. 1 gemessenen Feldstärke des von diesen beiden Spulen erzeugten elektromagnetischen Feldes und waagrecht die Abstände längs dieser Achse schematisch aufgetragen sind. Die Linie 10 zeigt den Verlauf dieses Wertes, wenn die Spulen 7 und 8 im gleichen Sinne von einem gleich grossen Hochfrequenzstrom des Generators durchflossen werden. Die Punkte 11 und 12 geben den Wert der Feldstärkekomponenten in der Spule 7 bzw. 8 an, wo diese Feldstärken Höchstwerte haben. Der Punkt 13 gibt den Mindestwert der Feldstärkenkomponente in einem Punkt in der Mitte zwischen den Spulen an.
Der zwischen den Spulen angeordnete Heizring ist infolge der auf ihn ausgeübten Kräfte bestrebt, diesen Mindestwert aufzusuchen, so dass er bei Verschiebung der erregten Spulen mit diesem Mindestwert verschoben wird. An der Stelle dieses Mindestwertes hat die Feldstärke jedoch noch einen verhältnismässig hohen Wert, wodurch der Ring den-
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noch eine erhebliche Mengt, der Energie des Feldes aufnehmen kann.
Die gestrichelte Linie 14 zeigt den Verlauf des Wertes der Feldstärkekomponenten, wenn die beiden Spulen vom gleichen Hochfrequenzström in entgegengesetztem Sinne durchflossen werden. Dabei hat die Feldstärke an einer Stelle 15 in der Mitte zwischen den Spulen den Wert 0. Zwar ist in diesem Falle das von den beiden Spulen erzeugte Feld gleichfalls bestrebt, den Ring an einer Stelle mitten zwischen den Spulen zu halten, aber durch die geringe Feldstärke an der Stelle des Ringes ist die Energieabsorption im Ring aus dem Feld nur gering, so dass auf diese Weise die Erhitzung des Ringes nicht sehr wirkungsvoll ist.
Die Erfindung kann nicht nur bei der beschriebenen Vorrichtung zum Zonenschmelzen eines Materials in einem waagrecht angeordneten langgestreckten Tiegel, sondern auch bei andern Zonenheizverfahren Anwendung finden, z. B. beim Zonenschmelzen eines senkrecht angeordneten Stabes eines zu behandelnden Materials ohne Verwendung eines Tiegels. Der Ring kann dabei zwischen zwei Spulen nach oben und nach unten verschoben werden. Die auf den Ring einwirkende Schwerkraft bildet dabei im allgemeinen kein Hindernis für diese Verschiebung, weil bei der normalerweise für die Erhitzung des Ringes erforderlichen Erregung der beiden Spulen von diesen Kräfte auf den Ring ausgeübt werden. die im allgemeinen viel grösser als die auf den Ring einwirkende Schwerkraft sind.
Man kann im Prinzip auch beim Zonenschmelzen eines senkrecht angeordneten Stabes eine einzige Spule in Verbindung mit einem schweren oder beschwerten Ring verwenden, wobei der Ring in bezug auf die Spule eine derartige Lage oberhalb der Spule einnimmt, dass die nach oben wirkenden Kräfte des elektromagnetischen Feldes der Spule durch die Schwerkraft ausgeglichen werden.
Man kann im Prinzip auch mehr als zwei Spulen mit zwischenliegenden Heizringen verwenden, um in einer Charge mehr als eine erhitzte Zone, z. B. mehr als eine geschmolzene Zone, zu erzielen.
Weiter sei bemerkt, dass die Behandlung von Materialien durch Zonenerhitzen nicht auf die Behandlung von Materialien durch Zonenschmelzen beschränkt zu sein braucht. Zonenerhitzung kann z. B. unter anderem bei der Herstellung gesinterter Stäbe, beispielsweise aus keramischem Material und bei der Rekristallisierung von Stäben oder Drähten eines Materials, z. B. eines Metalles, mit deformierter Kristallstruktur Anwendung finden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Behandlung von Materialien durch Zonenerhitzen mittels eines einen Teil der Charge eines solchen Materials umgebenden, elektrisch leitenden Heizringes, der in bezug'auf die Charge in deren Längsrichtung verschoben und mit Hilfe eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes induktiv erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung des Heizringes mit Hilfe der vom elektromagnetischen Hochfrequenzfeld selber ausgeübten Kräfte erfolgt.