DE1092576B - Stromzufuehrung fuer die bewegliche Heizspule einer tiegelfreien Zonenziehvorrichtung im Innern eines Gefaesses - Google Patents

Description

Zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit einem oder mehreren ρ-n-Übergängen, z. B. Gleichrichter, Transistoren, Photodioden, insbesondere mit einem einkristallinen Grundkörper aus Silizium od. dgl., wird ein Rohmaterial von extrem hohem Reinheitsgrad benötigt. Zu diesem Zweck sind bekanntlich besondere Behandlungsverfahren und -vorrichtungen entwickelt worden.

Beim sogenannten tiegelfreien Zonenziehen, das z. B. zur Reinigung von Halbleitermaterialien bzw. zum Ziehen von Einkristallen dienen kann, wird ein Stab aus dem entsprechenden Material senkrecht an beiden Enden eingespannt und dann vorteilhaft vermittels einer Induktionsspule mit Mittel- oder Hochfrequenz geschmolzen. Die Induktionsspule, deren axiale Ausdehnung im Verhältnis zur Länge des Stabes gering ist, erschmilzt nur die jeweils in ihr liegende Zone des Stabes und wird mittels eines beweglichen Trägers, der als Schlitten ausgebildet sein kann, langsam in Längsrichtung des Stabes bewegt. Der genannte Vorgang spielt sich zweckmäßigerweise im Hochvakuum ab, so daß neben dem eigentlichen Reinigungsvorgang durch Zonenziehen gewisse Verunreinigungen auch durch Abdampfen aus dem beihandelten Halbleiter entfernt werden. Die Behändlung kann aber auch unter Schutzgas durchgeführt werden.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines Stabes aus Halbleitermaterial innerhalb eines geschlossenen Schutzgas- oder Hochvakuumgefäßes mit Hilfe einer koaxial zum Halbleiterstab angeordneten und über seine Länge verschiebbaren Induktionsheizspule und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule innerhalb des Gefäßes angeordnet ist, daß die lichte Weite des Gefäßes groß gegenüber derjenigen der Induktionsspule ist und daß die aus zwei in geringem Abstand parallel zueinander geführten Leitern bestehenden beweglichen Stromzuführungen der Induktionsspule in zur Spulenachse koaxialen Schraubenwindungen verlaufen, deren Durchmesser nur wenig kleiner als der Durchmesser des Gefäßes ist.

Durch die Unterbringung der Induktionsheizspule innerhalb des Gefäßes treten gewisse Schwierigkeiten bei der Zuführung des Heizstromes für die Induktionsspule auf. Die beiden Stromzuführungen für den Heizstrom mit einer Frequenz von beispielsweise 1 bis 5 MHz sollen, wie an sich bekannt, möglichst nahe beieinander und induktionsfrei so verlegt werden, daß ein Ende der Stromzuführungen am Boden des Vakuumgefäßes festgelegt ist, wo die Leitung nach außen durch die Bodenplatte zum Hochfrequenzgenerator geführt ist, während das andere Ende mit der daran befindlichen Heizspule in senkrechter Rich-Stromzuführung

für die bewegliche Heizspule

einer tiegelfreien Zonenziehvorrichtung

im Innern eines Gefäßes

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Phys. Reimer Emeis
und Dr. rer. nat. Wolfgang Keller,

Pxetzfeld (Kr. Ebermannstadt),
sind als Erfinder genannt worden

tung beweglich sein muß. Die Zuleitungen müssen so verlegt sein, daß sie auch bei der betriebsmäßigen Bewegung nicht mit anderen Teilen oder der Gefäßwandung in Berührung kommen können. Ferner dürfen sie beim Hantieren am geöffneten Gerät nicht stören. Außerdem muß für eine genügende Kühlung der Heizspule gesorgt werden, weil diese, deren Windungen die Schmelzzone eng umschließen, sonst durch Strahlungsheizung stark erwärmt würde. Das ist deshalb nötig, damit während des Betriebes im Vakuum keine unerwünschten Verunreinigungen aus ihr abdampfen und in das behandelte Material gelangen können.

Eine bewegliche Stromzuführung zu einem innerhalb eines Gefäßes (Ofen) axial verschiebbar angeordneten Stromverbraucher (Silitwiderstand), die aus einem selbsttragenden biegsamen Leiter besteht und in Schraubenwindungen geführt ist, ist an sich bekannt. Sie dient zur Anpassung an die Wärmeausdehnung des Leiters. Diese bekannten ,Stromzuführungsleiter können auch als von einem Kühlmittel durchflossene Hohlleiter ausgebildet sein.

Durch die Erfindung wird eine verhältnismäßig einfache Lösung der Aufgabe gefunden, eine Stromzuführung zu der beweglichen Heizspule einer Zonenziehvorrichtung im Innern des Gefäßes zu schaffen, die die oben angeführten Forderungen weitgehend erfüllt. Die Leiter werden in bekannter Weise hohl ausgeführt und von einer Kühlflüssigkeit durchströmt,

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die zur Kühlung der Heizspule dient, die dann ebenfalls aus einem Hohlleiter gewickelt ist. Dies bringt noch den weiteren Vorteil, daß auch die Stromzuführung gekühlt wird.

Weitere Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung können aus den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 3 entnommen werden.

Fig. 1 zeigt ein Vakuumgefäß mit der Einrichtung zum tiegelfreien Zonenziehen;

Fig. 2 zeigt ein Abstandsstück für die Stromzuführung mit blanken Hohlleitern, und

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführung der Stromzuführung im Querschnitt.

Nach Fig. 1 ruht die Glocke 2 des Vakuumgefäßes vakuumdicht auf einer Bodenplatte 3. In der Mitte befindet sich die schematisch angedeutete Zonenzieheinrichtung für den Halbleiter 4. Sie besteht in der Hauptsache aus der Heizspule 5, die an einem Schlitten 6 befestigt ist, der auf einer Spindel 7 auf und ab laufen kann.

Drehdurchführungen 8 gestatten eine Drehbewegung des Halbleiterstabes 4 und der Spindel 7 von außerhalb des Vakuumgefäßes liegenden Antriebsaggregaten. Die Heizspule ist an dem beweglichen Schlitten 6 isoliert gehaltert, z. B. festgeklemmt. Die beweglichen Stromzuführungen 9 können weich oder hart gelötet sein. Sie sind in einer großen schraubenförmigen Linie vom Boden des Gefäßes zum beweglichen Schlitten 6 geführt und bestehen aus versilberten Kupferrohren.

Die durch den Gehäuseboden 3 vakuumdicht und isoliert hindurchgeführten Leitungsenden können durch angelötete oder festgeklemmte Metallbänder mit den Anschlußklemmen des Hochfrequenzgenerators verbunden., insbesondere in einen besonderen Sekundärschwingungskreis desselben eingeschaltet sein. Auch die Kühlflüssigkeitsanschlüsse befinden sich außerhalb des Vakuumgefäßes.

Der Zusammenhalt und zugleich der gegenseitige Abstand der Hin- und Rückleitung der beweglichen Stromzuführung 9 kann durch Abstandsstücke, z. B. aus Plexiglas, gesichert werden. Diese werden mit zwei Bohrungen versehen, durch welche die beiden Leiter hindurchgeschoben werden, wie es die Fig. 2 zeigt.

Falls eine Vakuumverschlechterung eintritt, kann es zu Durchschlägen zwischen den beiden Leitungen und zum Wandern des hierdurch entstehenden Lichtbogens kommen. Hierbei kann ein Verkohlen der Isolierung z. B. der Abstandsstücke vorkommen, wodurch sich leitende Pfade bilden können, die später unerwünschte Folgen zeigen. Um dieses zu verhindern, sieht man zweckmäßigerweise eine vorbestimmte Schwachstelle für die Zündung eines Lichtbogens vor, an der dieser dann auch gleich stehenbleiben kann, ohne Schaden anzurichten. Die Schwachstelle wird vorteilhaft in die Nähe der Heizspule gelegt, damit der Lichtbogen nicht in Richtung zu den Anschlüssen am Boden hinwandert.

Eine andere Art der Stromzuführung zeigt Fig. 3 im Querschnitt. Der eine Leiter 11 ist als Hohlleiter wie in Fig. 2 ausgeführt, der zweite Leiter 12 umgibt den ersten koaxial. Er besteht zweckmäßigerweise aus einem Kupfergeflecht. Als Isolation 13 zwischen beiden Leitern dient beispielsweise eine Lage aus doppelt gewickeltem Band aus Polytetrafluoräthylen (Teflon). Diese Ausführung der beweglichen Stromzuführung hat den Vorteil der geringeren Leistungs-Verluste. Die im Leiter 11 strömende Flüssigkeit wird durch das Rohr 14 zurückgeführt, das zweckmäßigerweise dieselben Abmessungen wie der Leiter 11 hat und auch aus Kupfer bestehen kann. Es dient dann noch mit zur Stromführung, also als Entlastung des ίο Leiters 12, und wird mit diesem vorteilhaft auf der ganzen Länge oder wenigstens in kurzen Abständen durch Lötung verbunden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines Stabes aus Halbleitermaterial innerhalb eines geschlossenen .Schutzgas- oder Hochvakuumgefäßes mit Hilfe einer koaxial zum Halbleiterstab angeordneten und über seine Länge ver-

ao schiebbaren Induktionsheizspule, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule innerhalb des Gefäßes angeordnet ist, daß die lichte Weite des Gefäßes groß gegenüber derjenigen der Induktionsspule ist und daß die aus zwei in geringem Abstand parallel zueinander geführten Leitern bestehenden beweglichen Stromzuführungen der Induktionsspule in zur Spulenachse koaxialen Schraubenwindungen verlaufen, deren Durchmesser nur wenig kleiner als der Durchmesser des Gefäßes ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Stromzuführungen als selbsttragende, im Bewegungsbereich der Heizspule elastisch biegsame Leiter, insbesondere von einem Kühlmittel durchströmte Hohlleiter, ausgeführt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Durchschlagstelle zwischen den beiden Leitern in der Nähe der Heizspule vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, bei der die beweglichen Stromzuführungen als koaxial zueinander angeordnete, durch einen festen Isolierstoff gegeneinander isolierte Hohlleiter ausgebildet sind, von denen der innere von einem Kühlmittel durchströmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Rohr parallel zu den Stromzuführungen verläuft und als Rückführung des strömenden Kühlmittels dient.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Rohr aus Kupfer besteht und mit der äußeren Stromzuführung durch Lötung verbunden ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 571049, 397 908;

deutsche Auslegeschrift Nr. 1 014 332;

USA.-Patentschrift Nr. 2 739 088;

Buch von France-W. Curtis, »High Frequency Induktion Heating« (Verlag McGraw Hill, New York, 1950), S. 123, 124, 135, 136 und 181;

Zeitschrift: »Review of Scientific Instruments« vom April 1954, S. 331 bis 334, und vom Juni 1957, S. 453 bis 460.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

1 009 647/350 11.60