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Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen von Stäben aus Silizium
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regeln und jede durch zufällige Störungen bedingte Abweichung durch eine kompensierende Änderung des
Stromes momentan ausgleichen. Dies führt zu entsprechend gleichmässigen Siliziumstäben. Das streng in nur einer Richtung erfolgende Kristallwachstum sowie die Anwendung einer von oben nach unten laufen- den Schmelzzone führen zu einer entsprechend hohen Kristallgüte, wie sie durch das bekannte Verfahren i nicht so ohne weiteres erreicht werden kann.
Bei Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung empfiehlt es sich, die Frequenz der zum Stüt- zen der Schmelzzone und Regeln des Randwinkels an der oberen Phasengrenze dienenden Wechselströme, die die untere und die obere der vorgesehenen Spulen durchfliessen, so niedrig und ihre Amplituden so gross einzustellen, dass die Länge der geschmolzenen Zone praktisch nur durch das Feld der Heizspule be- stimmt wird, und die auf Grund des Schwerdruckes in der geschmolzenen Zone entsprechende Ausbauchung gegen die Mitte der geschmolzenen Zone verschoben ist.
Weiter empfiehlt es sich, wenn die beiden Spu- len so dimensioniert bzw. von solchen Strömen durchflossen werden, dass die von der unteren Spule ausge- übte Kraft eine wesentlich stärkere axiale Komponente als das Feld der oberen Spule besitzt, da die un- tere Spule sowohl die Schwerkraft, als auch einen Teil der Kraftwirkung der oberen Spule kompensieren muss. Schliesslich-empfiehlt es sich, die von der Heizspule auf den Stab auf-induktivem Wege übertrage- ne Leistung so gross zu bemessen, dass die Länge der geschmolzenen Zone wesentlich grösser als die Länge der sie erzeugenden Heizspule wird und die Isothermalflächen an den Erstarrungsgrenzen der geschmolze- nen Zone eben verlaufen.
Schliesslich ist es vorteilhaft, durch entsprechend unterschiedlich eingestellte
Frequenzen und Amplituden der die Heizspule und die beiden äusseren Spulen durchfliessenden Ströme auf einfache Weise zu erreichen, dass die Kraftwirkung der Heizspule trotz ihrer beträchtlichen, die Länge der geschmolzenen Zone bestimmenden Heizleistung gegenüber der Kraftwirkung der beiden andern Spulen zu vernachlässigen ist.
Da die ponderomotorischen Kräfte bei konstant gehaltener Amplitude der magnetischen Feldstärke eines elektromagnetischen Wechselfeldes mit steigender Frequenz proportional einer niedrigeren Potenz der Frequenz als die Heizwirkung ansteigen, ist es möglich, durch Anwendung von Feldern niedrigerer
Frequenz die erforderliche Stützwirkung zu sichern, wenn man die Amplitude. der Feldstärke genügend gross wählt. Die niedrigere Frequenz führt dann trotz der grossen Feldamplitude nicht zu stärkerer Erwär- mung des umzuschmelzenden Stabes.
Umgekehrt besteht die Möglichkeit, auch bei niedrigeren Feldam-
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diesem Strom am Ort der geschmolzenen Zone erzeugte Feldstärke genügend klein gemacht wird, dann übt ein solches Feld nur geringe Kräfte, aber eine grosse Heizwirkung auf die geschmolzene Zone aus, so dass eine derart betriebene Heizspule die geschmolzene Zone nicht merklich deformieren kann. Die beiden andern Spulen brauchen dann entsprechend geringere Kraftwirkung zu entfalten, da ein Ausgleich dieser Deformation nicht mehr erforderlich ist ; umgekehrt werden die beiden Hilfsspulen von Strömen entsprechend hoher Amplitude und niedriger Frequenz durchflossen, wobei die Stromamplitude so gewählt wird, dass sie trotz der niedrigen Frequenz in der Lage ist, die erforderliche Kraftwirkung auf die geschmolzene Zone auszuüben.
Einer stärkeren Erwärmung und damit Wärmezufuhr zur geschmolzenen Zone wird durch die Wahl einer entsprechend niedrigen Frequenz entgegengearbeitet.
Während das Feld der unteren Spule die geschmolzene Zone nach oben drückt, also der Schwerkraft entgegenarbeitet, sorgt die obere Spule dafür, dass die geschmolzene Zone nicht gegen den oberen Rand der Schmelzzone gedrückt wird. Die Wirkungen der beiden Spulen sind so aufeinander abgestimmt, dass sich die auf Grund des Schweredruckes in der geschmolzenen Zone ergebende Ausbauchung etwa in der Mitte der geschmolzenen Zone befindet.
Da die untere die geschmolzene Zone stützende Spule somit gegen die Schwerkraft, die obere Spule dagegen in gleicher Richtung wie die Schwerkraft auf die geschmolzene Zone wirkt, indem sie die geschmolzene Zone nach unten drückt, müssen die beiden Spulen so dimensioniert bzw. von solchen Strömen durchflossen werden, dass die von der unteren Spule ausgeübte Kraft eine wesentlich stärkere axiale Komponente als das Feld der oberen Spule besitzt, da die untere Spule sowohl die Schwerkraft als auch einen Teil der Kraftwirkung der oberen Spule kompensieren muss.
Der Vorteil des gemäss der Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens ist insbesondere beim Ziehenvon Siliziumeinkristallen gegeben. In diesem Falle empfiehlt es sich, die geschmolzene Zone von oben nach unten durch den Stab wandern zu lassen, da beim Aufwärtsziehen Schollen und andere Verunreinigungen auf die einkristalline Erstarrungsfläche fallen können. Beim Abwärtsziehen ist diese Seite oben und die Einkristallbildung wesentlich besser gesichert. Leister führt das Stützfeld, wenn es nur von einer unterhalb der Heizspule angeordneten Induktionsspule erzeugt wird, zu sehr schwierigen Betriebsbedingungen, wel-
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ehe nur einen sehr kleinen Regelbereich zulassen. Die dann vorliegenden Verhältnisse sind in Fig. 1 dar- gestellt.
Die geschmolzene Zone 2, die zwischen den beiden nicht aufgeschmolzenen Teilen 1, l'eines Si- liziumstabes frei getragen wird, wird von einer Heizspule 3 erzeugt und einer Stützspule 4 gestützt. Durch das Stützfeld wird die geschmolzene Zone nach oben gedrückt und erzeugt dort einen stark nach aussen geöffneten Randwinkel. Wird die geschmolzene Zone nun von oben nach unten durch den Stab geführt, dann wird sich dieser Randwinkel in einer laufenden Vergrösserung des Querschnittes des einkristallisie- renden Materials auswirken, u. zw. in um so stärkerem Masse, je mehr dieser Randwinkel von einem ge- streckten Winkel abweicht. Es ist deshalb erwünscht, möglichst in der Nähe des gestreckten Randwinkels zu bleiben.
Wollte man dies aber durch Reduktion der von der unteren Spule 4 hervorgerufenen Kraft- wirkung erreichen, so würde die geschmolzene Zone schon bei geringen Änderungen der Feldstärke der unteren Spule 4 so stark nach unten fallen, dass die Ausbauchung nunmehr am unteren Rande der Schmelz- zone auftreten würde. Dies ist aber ebenfalls unerwünscht. Um diese unerwünschten Erscheinungen zu vermeiden, und etwa einen gestreckten Randwinkel zu erzeugen, wird die inFig. 2 dargestellte, oberhalb der geschmolzenen Zone 2 angeordnete Induktionsspule 5 verwendet, welche den oberen Teil der ge- schmolzenen Zone nach unten drückt, auf den unteren Teil der geschmolzenen Zone dagegen keine star- ke Kraftwirkung ausübt. Die Ausbauchung der geschmolzenen Zone wird auf diese Weise gegen deren Mit- te verschoben, was für ein gleichmässiges Auskristallisieren besonders günstig ist.
An Hand der Fig. 2, die eine geeignete Anordnung der zu verwendenden Spulen darstellt, wird dies näher erläutert. Die zwischen den beiden festen Stabteilen 1 und l'gehaltene Schmelzzone 2 wird durch eine den Stab am Ort der Schmelzzone konzentrisch umgebende Heizspule 3 erzeugt. Der Stabdurchmesser beträgt beispielsweise 18 mm, die Höhe der geschmolzenen Zone 22 mm, ihre Temperatur sei etwa 14200C. Die Heizspule besteht aus zwei vertikal übereinandergelagerten Windungen, welche von einem Strom von 100 A und 4 MHz durchflossen sind. Der Abstand des Innenrandes der Heizspule 3 von der Stabachse beträgt 17 mm.
Die Länge der Heizspule beträgt etwa 8 mm. Die geschmolzene Zone ragt also beträchtlich beiderseits über die Heizspule hinaus. Etwa 13 mm unterhalb des unteren Randes der Schmelzzone wird der Stab von einer Stützspule 4 umschlossen, deren innerer Rand von der Stabachse ebenfalls 17 mm entfernt ist. Diese Spule 4 (Hauptstützspule) besteht aus sechs in einer Ebene liegenden Windungen, wobei die äussere Windung einen Durchmesser von 47 mm hat. Sie wird von einem Strom von 300 A und 10 kHz durchflossen.
Die oberhalb der geschmolzenen Zone (etwa 8 mm von deren oberen Rand entfernt) angeordnete Gegenspule 5 wird ebenfalls von 10 kHz und 200 A durchflossen. Sie besteht aus drei Windungen und erzeugt dementsprechend ein wesentlich schwächeres Feld als die untere Spule. Es empfiehlt sich, die Spule aus einem Rohr zu fertigen und im Betrieb von einer Kühlflüssigkeit durchströmen zu lassen.