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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven tiegelfreien Zonenschmelzen von kristallinen
Halbleiterstäben mit einer in einem gasdicht abgeschlossenen Behandlungsgefäss angeordneten, zur Erzeugung und
Beheizung der Schmelzzone in den zu behandelnden Stäben dienenden Induktionsheizspule, die über eine elektrische Zuleitung mit einer ausserhalb des Behandlungsgefässes angeordneten elektrischen Stromquelle verbunden wird, wobei der gasdicht durch die Wand des Behandlungsgefässes geführte Teil dieser elektrischen
Zuleitung aus mindestens drei in Abstand koaxial zueinander angeordneten rohrförmigen Einzelleitern besteht und die Zwischenräume zwischen den Einzelleitern mit Isolierstoff abgedichtet sind.
Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der deutschen Auslegeschrift 1076623 bekannt. Die bekannte
Vorrichtung weist ein Hochvakuumgefäss auf, in dem eine mit Hilfe einer Induktionsheizspule erzeugte
Schmelzzone durch das stabförmige Halbleitermaterial bewegt wird. Die Induktionsheizspule ist über eine
Stromzuführung mit einem Generator für hochfrequenten Wechselstrom verbunden, welche in einer gasdichten
Durchführung in der Gefässwand verschiebbar angeordnet ist. Die bekannte Durchführung besteht aus einem inneren Rohr und einem doppelwandigen äusseren Rohr. Beide Rohre werden von einem Kühlmittel während des
Betriebes der Anordnung durchströmt.
Die Stromzuführung der bekannten Anordnung wird somit von drei ineinandergeschachtelt und koaxial angeordneten Leiterrohren gebildet. Die beiden äusseren Leiterrohre sind an den beiden Enden der
Stromzuführung elektrisch leitend miteinander verbunden, während sich im Zwischenraum zwischen dem inneren
Leiterrohr geringerer Rohrweite und dem mittleren Leiterrohr nächstgrösserer Rohrweite eine Zwischenlage aus mit Paraffin vergossenem bandförmigem Polytetrafluoräthylen befindet. Das innere Leiterrohr mit der kleinsten
Rohrweite sowie das mittlere Leiterrohr bestehen aus Kupfer, das äussere Leiterrohr aus Stahl. Das Stahlrohr bildet mit dem mittleren Leiterrohr einen Kanal für ein Kühlmittel ; das innere Rohr dient als Kanal für ein
Kühlmittel.
Ausserdem stellt die äussere Mantelfläche des äusseren Stahlrohres eine äusserst glatte Gleitfläche dar, die kaum anfällig gegen Beschädigungen ist, so dass die Dichtung in der Durchführung einwandfrei arbeitet und keine Luft von aussen in das evakuierte Gefäss eindringen kann.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine solche Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen auch in elektrischer Hinsicht zu verbessern. Dies geschieht, indem die Durchführung durch die Wand des
Zonenschmelzgefässes eine besonders geringe Induktivität erhält. Damit wird auch die Verlustleistung der
Durchführung geringer und man erreicht, dass auch bei Anwendung einer einwindigen Induktionsheizspule mit geringem ohmschem und induktivem Widerstand eine hohe Heizleistung auf die Schmelzzone übertragen wird.
Zu diesem Zweck ist gemäss der Erfindung bei der eingangs definierten Vorrichtung vorgesehen, dass die rohrförmigen Einzelleiter der Durchführung in zwei Gruppen derart aufgeteilt sind, dass mindestens die eine dieser Gruppen aus zueinander parallelgeschalteten Einzelleitern besteht und dass jeder der Einzelleiter der einen
Gruppe nur zu Einzelleitern der andern Gruppe benachbar ist, wobei die zu einer Gruppe zusammengefassten Einzelleiter beiderseits der Stromzuführung zwecks Parallelschaltung über elektrische Leitungen miteinander verbunden sind, und dass schliesslich die eine Gruppe von Einzelleitern mit dem einen Pol, die andere Gruppe mit dem andern Pol der elektrischen Stromquelle leitend verbunden ist.
Die Einzelleiter können dabei vorteilhaft als Führungskanäle für ein Kühlmittel ausgebildet sein. Der die Zwischenräume zwischen den einzelnen Leiterrohren abdichtende Isolierstoff wird vorteilhaft so ausgewählt, dass er eine Shore-Härte im Bereich von 10 bis 100 und eine Dehnbarkeit von mindestens 20% hat (die Shore-Härte wird bekanntlich mittels eines auf den betreffenden Stoff definiert auftreffenden kleinen Hammers gemessen, dessen Rückstoss dabei das Mass für die Shore-Härte bzw. genauer für den Elastizitätsmodul ist).
Die Erfindung und ihre Vorteile werden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Stromdurchführung in einer Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen gemäss der Erfindung, wobei der zwischen den Einzelleitern zwecks Abdichtung anzuwendende Isolierstoff nicht gezeichnet ist, Fig. 2 zeigt das Ersatzschaltbild der Stromdurchführung gemäss Fig. l, in Fig. 3 ist eine Stromdurchführung für eine erfindungsgemässe Einrichtung mit drei rohrförmigen Einzelleitern perspektivisch dargestellt, während in Fig. 4 ein-auch die abdichtenden Isolierungen zwischen den Einzelleitern zeigender-Meridianschnitt einer solchen elektrischen Durchführung dargestellt ist. in Fig.
1 ist schematisch eine Stromdurchführung--A--dargestellt, welche aus fünf ineinandergeschachtelt und koaxial mit radialem Abstand voneinander angeordneten Leiterrohren besteht. Die Stromdurchführung--A--ist in axialer Richtung verschiebbar in einer Durchführung der Wand--B--des Zonenschmelzgefässes angeordnet, innerhalb dessen sich eine nicht dargestellte Induktionsheizspule befindet und in welchem der Zonenschmelzvorgang abläuft. Die Stromdurchführung--A--ist gegen die Wand des Zonenschmelzgefässes durch eine Simmeringdichtung--C--abgedichtet, während die Dichtung im Innern der Stromdurchführung über die nicht gezeichneten isolierenden Abdichtungen zwischen den einzelnen Leiterrohren geleistet wird.
Das innere Rohr dient entweder als Kühlkanal ; dann wird in seinem Innern keine Abdichtung benötigt. Sonst muss es ebenfalls in irgendeiner Weise abgeschlossen bzw. abgedichtet sein.
In Fig. 1 gibt die Folge arabischer Zahlen--l bis 5--die Numerierung der Leiterrohre nach zunehmender Rohrweite, die Folge römischer Zahlen--I bis V--die Numerierung nach abnehmender Rohrweite an.
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Jeweils an beiden Enden der Stromzuführung--A--sind die Leiterrohre mit ungerader Nummer, also die Leiterrohre--l, 3 und 5--bzw.--I, III und V--, durch elektrische Leiter--D, E und F, G--sowie die Rohre mit gerader Nummer --2 und 4 bzw. II und IV--durch die elektrischen Leiter --H und K-- elektrisch leitend miteinander verbunden.
In Fig. 2 ist das Ersatzschaltbild der Stromdurchführung--A--nach Fig. l dargestellt. Der ohmsche
Widerstand --R23-- (arabische Zählung) bedeutet den ohmschen Widerstand und die Induktivität--L34-- die Induktivität der aus den Leiterrohren--2 und 3--gebildeten Koaxialleitung. Entsprechendes gilt für die ohmschen Widerstände--Ri2, R34, R45- und die Induktivitäten-L12, L34 und L4s--. Im Ersatzschaltbild nach Fig. 2 sind die Kapazitäten der Stromdurchführung-A-nach Fig. 1 nicht berücksichtigt, da diese bei Einrichtungen zum tiegelfreien Zonenschmelzen kleiner gegenüber der Kapazität des Kondensators im Heizschwingkreis ist, welcher die Induktionsheizspule zum Beheizen der Schmelzzone enthält.
Wie das Ersatzschaltbild nach Fig. 2 zeigt, sind die aus jeweils zwei benachbarten Leiterrohren gebildeten Koaxialleitungen parallel zueinander geschaltet. Daher ist auch der Spannungsabfall an der Stromdurchführung --A-- mit mehreren ineinandergeschachtelt angeordneten Leiterrohren, welche entsprechend Fig. 1 geschaltet sind, kleiner als an einer Stromdurchführung mit nur zwei ineinandergeschachtelt angeordneten Leiterrohren. Deshalb ist auch die Verlustleistung bei der Stromdurchführung--A--mit mindestens drei ineinandergeschachtelt angeordneten Leiterrohren bei Beachtung der Erfindung geringer als die einer Stromdurchführung mit nur zwei ineinandergeschachtelt angeordneten Leiterrohren.
Mit der Stromdurchführung - A-nach Fig. l gelingt es somit, auch bei einer einwindigen Induktionsheizspule genügend Energie zum Beheizen der Schmelzzone dieser auf induktivem Weg zuzuführen. Die Stromdurchführung --A-- kann sogar eine beträchtliche Länge, z. B. 1600 mm haben, ohne dass ihre Verlustleistung ins Gewicht fällt.
Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform einer Stromdurchführung gemäss der Erfindung bei einer Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen besteht aus drei koaxial ineinandergeschachtelt angeordneten Kupferrohren--l, 2 und 3--. Diese Stromdurchführung ist in einer nicht dargestellten Durchführung in der Wand des Gefässes der Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen angeordnet. Die Leiterrohre sind mit zunehmender Rohrweite numeriert. Am oberen Ende der Stromdurchführung sind an den Leiterrohren--l bis 3--elektrisch leitende Metallzungen--9 bis 11--, beispielsweise aus Kupfer, angebracht, während am unteren Ende, welches sich ausserhalb des Zonenschmelzgefässes befindet, an den einzelnen Leiterrohren--l bis 3-Schellen--34 bis 36--aus elektrisch leitendem Metall, z. B.
Silber, befestigt sind. Eine beispielsweise einwindige Induktionsheizspule --13-- ist an der Zunge--10--und an der Zunge --11-- elektrisch leitend befestigt. Die Leiterrohre--l und 3--und die damit verbundenen Zungen--9 und 11-- sind zur Kleinhaltung der Streuinduktivität randlich durch eine Silberbrücke--12--miteinander verbunden.
Am unteren Ende der Stromdurchführung, welches an einem nicht dargestellten Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist, sind die Schellen-34 und 36-und damit die Leiterrohre--1 und 3--durch Schienen - -37--, die voneinander jeweils 1200 Winkelabstand (bezogen auf die Rohrachse) haben, isoliert von der Schelle-35-am Leiterrohr-2-elektrisch leitend miteinander verbunden. Durch die Anordnung der Schienen --37-- ergibt sich eine gleichmässige Verteilung des Stromflusses auf die Leiterrohre--1 und 3--.
Parallel zu den Schellen --35 und 36-- und damit parallel zum Leiterrohr--2--und den Leiterrohren--l
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--13-- enthaltenden36-verbunden, beispielsweise verschraubt, sind. Es können auch vier oder mehr Schienen --37-- und Kondensatoren --38-- vorgesehen sein, deren Anschlussstellen an den Schellen-34 ind 36 bzw. 35 und 36-jeweils gleichen Winkelabstand haben. An die Schellen--35 und 36--ist ferner ein nicht dargestellter Hochfrequenzgenerator angeschlossen.
Die Zwischenräume zwischen den Leiterrohren--l, 2 und 3--müssen entsprechend der Erfindung auf jeden Fall mit einem festen Isoliermaterial abgedichtet sein. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Zwischenräume gänzlich mit einem festen Isolierstoff ausgefüllt sind, obwohl sie auch zum Teil ein Gas enthalten oder evakuiert sein können. Insbesondere, wenn das Zonenschmelzgefäss, in dem sich das obere Ende der Stromdurchführung mit der Induktionsheizspule--13--befindet, evakuiert oder mit Schutzgas gefüllt ist, ist es vorteilhaft, wenn die Zwischenräume zwischen den Leiterrohren--l bis 33--völlig mit dem abdichtenden festen Isolierstoff abgedichtet sind.
Auch hier empfiehlt es sich, wenn der abdichtende Isolierstoff eine Shore-Härte im Bereich von 10 bis 100 und eine Dehnbarkeit von mindestens 20% hat. Dadurch wird gewährleistet, dass keine Risse an den Verbindungsstellen des Isoliermaterials mit den Wandungen der Leiterrohre--l bis 3--infolge der beim Betrieb der Anordnung auftretenden wechselnden Temperaturbeanspruchungen möglich sind. Ein geeigneter Isolierstoff ist kaltvulkanisierender Silikonkautschuk, z. B. ein Silikonkautschuk der Firma Wacker mit der Handelsbezeichnung "Sil-Gel" und "Vergussmasse K". Die Wandungen der Leiterrohre --1 bis 3-- sind zweckmässig mit einem Silikonharzüberzug, z. B. aus einem Silikonharz der Firma Wacker mit der Handelbezeichnung "G 718" überzogen.
Der Silikonkautschuk geht mit dem Silikonharzüberzug eine gasdichte und dauerhafte Haftverbindung ein. Silikonkautschuk hat ferner den Vorteil, dass sein dielektrischer Verlustfaktor kleiner als 10-2 ist und dass seine Durchschlagfestigkeit zwischen 30 und 40 kV/mm, also ziemlich
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