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Vorrichtung zur Überwachung des durchgeschmolzenen Zustandes einer
Schmelzzone beim tiegelfreien Zonenschmelzen Halbleiteranordnungen, wie Gleiclmchter,
Transistoren, Fotodioden u. dgl. werden bereits in großem Maße in der Elektrotechnik
verwendet. Ihr Grundkörper besteht meistens aus Germanium, Silizium oder einer intermetallischen
Verbindung von Elementen der III. und V. Gruppe des Periodischen Systems. Für ihre
Herstellung benötigt man größere Mengen dieser Halbleitermaterialien von extrem
hohen Reinheitsgrad.
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Es sind bereits verschiedene Gewinnungs- und Bearbeitungsverfahren
entwickelt worden, durch die diese Forderung weitgehend erfüllt wird. So ist es
bereits bekannt, einen durch Ziehen aus der Schmelze oder auf eine andere Art gewonnenen
Halbleiterstab durch sogenanntes Zonenschmelzen in erwünschtem und benötigtem Maße
zu reinigen. Dabei läßt man beispielsweise vermittels einer Induktionsspule den
Stab an einer Stelle schmelzen und dann diese Schmelzzone mehrfach über die gesamte
Stablänge wandern, wobei die Verunreinigungen beseitigt werden. Die dafür verwendete
Vorrichtung läßt sich beispielsweise auch zum Züchten von Einkristallen benutzen.
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In einer bekannten Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen, insbesondere
von Silizium, wird der senkrecht stehende Halbleiterstab an dem einen Ende fest
gehaltert und an dem anderen Ende nach dem Durchschmelzen um seine eigene Achse
gedreht. Es kann auch eine fortlaufende Drehung beider Stabenden gleichzeitig in
gleicher Drehrichtung oder in entgegengesetzten Richtungen durchgeführt werden.
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Für einen ungeübten Arbeiter bestehen Schwierigkeiten, den Zeitpunkt
des Durchschmelzens des Halbleiterstabes festzustellen. Wird die Drehung des Stabes
zu früh eingeschaltet, so bricht der Impfling ab, oder es tritt eine andere Störung
ein. Wird dagegen der Zeitpunkt des Durchschmelzens überschritten, so kann ein Durchhängen
der Schmelzzone und damit eine kugelige Verdickung des Stabes oder sogar ein Wegtropfen
des geschmolzenen Halbleitermaterials eintreten. Die Erfindung schafft deshalb eine
Vorrichtung, die den genauen Zeitpunkt des Durchschmelzens anzeigt. Insbesondere
für die Automatisierung des Zonenschmelzens ist eine derartige Vorrichtung notwendig,
die den Zeitpunkt des Durchschmelzens meldet und eventuell zur weiteren Kommandogabe
dient.
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Es ist ferner bekannt, die beim Durchschmelzen eines Halbleiterstabes
auftretende Trennung des starren, mechanischen Zusammenhangs zwischen den beiden
Enden des Stabes zu einer Bewegung auszunutzen, die zum Öffnen bzw. Schließen eines
elektrischen Kontaktes dienen kann. Eine bekannte Einrichtung dieser Art macht aber
von einer Längsbewegung der einen Halterung Gebrauch, welche eine unerwünschte Stauchung
hervorrufen kann. Dieser Nachteil wird mit der Erfindung vermieden.
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Die Erfindung betrifft demgemäß eine Vorrichtung zur Überwachung des
durchgeschmolzenen Zustandes einer Schmelzzone beim tiegelfreien Zonenschmelzen
eines stirnseitig drehbar gehalterten Halbleiterstabes. Erfindungsgemäß ist eine
Stabhalterung mit einem beweglichen Teil einer elektrischen Kontakteinrichtung gekuppelt,
deren ruhender Teil in einem Abstand entsprechend einem beschränkten Drehwinkel
der Stabhalterung angebracht ist. Vorteilhaft wird die Einrichtung mit einem Verzögerungsglied
versehen, das die Signalgabe der Einrichtung verzögert. Dies kann zweckmäßigerweise
eine Öldämpfung sein, die die Drehung der Halterung verzögert. Das Drehmoment kann
beispielsweise durch eine Feder oder durch das Zusammenwirken einer Stromspule mit
einem Dauermagnet hervorgerufen werden. Im letzteren Falle ergibt sich eine leichtere
Rückstellbarkeit der Einrichtung in die Ausgangslage durch einfaches Umpolen der
Stromspule.
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Es erscheint zweckmäßig, die Vorrichtung, die das Drehmoment hervorruft,
sowie die Kontakte außerhalb des Hochvakuum- oder mit Schutzgas gefüllten Gefäßes
der Zonenziehvorrichtung anzuordnen und mit der innerhalb des Gefäßes befindlichen
beweglichen Halterung mittels einer Magnetkupplung zu kuppeln. Durch diese Maßnahme
wird erreicht, daß der Aufwand innerhalb des Gefäßes nicht vergrößert
wird
und daß die durch den Anbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung neu hinzukommenden
Teile leicht zugänglich bleiben. Störungen lassen sich also leicht erkennen und
beheben. Vor allem erscheint es notwendig, die Öldämpfung außerhalb der Vakuumkammer
unterzubringen.
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Für die Verbindung der außerhalb des Gefäßes liegenden Teile der erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit der innerhalb befindlichen drehbaren Halterung ist die Magnetkupplung
deshalb besonders vorteilhaft, weil sie eine weitere Dichtung, beispielsweise mit
einem Simmerring, vermeidet und außerdem völlig reibungsfrei arbeitet.
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Der Aufbau der Magnetkupplung kann bei einer Drehbewegung verhältnismäßig
einfach sein. Die bewegliche Halterung wird dazu mit einem Weicheisenanker versehen
und innerhalb eines mit dem Gefäß verbundenen, aus einem nichtmagnetischen Metall
bestehenden Topfes angeordnet, während die das Drehmoment erzeugende Vorrichtung
außerhalb des Topfes angebracht wird und auf den Weicheisenanker mittels eines oder
mehrerer Dauermagnete einwirkt. Beispielsweise kann außerhalb des Topfes ein mit
der das Drehmoment hervorrufenden Vorrichtung verbundener U-förmiger Bügel in der
Achse des Topfes drehbar befestigt sein, der an seinen beiden Schenkeln je einen
Dauermagneten trägt. Der Drehwinkel des U-förmigen Bügels wird zweckmäßigerweise
durch zwei Anschläge begrenzt, die zugleich als Kontakte dienen können. Es kann
dann außerhalb des Drehwinkels des U-förmigen Bügels eine weitere Kontakteinrichtung
angebracht sein, die durch die bewegliche Halterung ausgelöst werden kann, beispielsweise
mit Hilfe eines Dauermagneten, der beim Vorbeiwandern des mit der beweglichen Halterung
verbundenen Weicheisenankers angezogen wird. Durch diese zusätzliche Kontakteinrichtung
kann das Einfrieren der Schmelzzone genau wie das Durchschmelzen zu einer Meldung
bzw. Kommandogabe benutzt werden.
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In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
aus dem weitere Einzelheiten und Vorteile derselben hervorgehen.
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Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Schnitt, Fig. 2
im Aufriß und Fig. 3 eine Seitenansicht.
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In der Decke 2 des Vakuumgefäßes, daß die Zonenzieheinrichtung enthält,
befindet sich eine öffnung, die durch einen aus einem nichtmagnetischen Werkstoff,
zweckmäßigerweise aus Leichtmetall bestehenden Topf 3 mit Hilfe eines Dichtungsringes
4 verschlossen wird. Ein Achsstumpf 5 ist mit einem Flansch 6 an der Decke des Topfes
3 befestigt. Er trägt zwei Kugellager 7 und 8, auf denen die obere Stabhalterung
9 gelagert ist. In ihr kann mit Hilfe von Schrauben 10 (nur eine dargestellt) der
Halbleiterstab befestigt werden. An ihrem oberen Ende ist auf ihr ein Weicheisenanker
11 angebracht, der mit zwei Stabmagneten 12 in Verbindung steht, die an einem U-förmigen
Bügel 13 in der Nähe der Schenkelenden befestigt sind. Dieser Bügel 13 ist mit Hilfe
von zwei Kugellagern 14 und einer Achse 15 drehbeweglich gelagert. Seine Drehachse
fällt mit der Drehachse der Stabhalterung 9 (der Längsachse des Halbleiterstabes)
zusammen. Auf der Achse 15 sind die Nabe 16 und Flügel 17 einer Öldämpfung befestigt.
Der obere Hohlraum des Topfes 3, in dem sich diese Öldämpfung befindet, wird durch
einen Deckel 18 verschlossen. Auf dem Joch des U-förmigen Bügels 13 befindet
sich ein Dauermagnet 19, der im Zusammenwirken mit einer Stromspule 20 ein
Drehmoment auf den Bügel 13 ausübt. Die Stromspule 20 ist mit Hilfe von zwei Halterungen
21, die zugleich als Polschuhe der Spule 20 dienen können, mit dem Topf 3
starr verbunden. Eine Isolierleiste 22 dient als Stützpunkt für zwei Anschlagkontakte
23, die den Drehwinkel des Bügels 13 begrenzen. Zwei Kontaktstifte 24, die miteinander
elektrisch leitend verbunden sind, sind isoliert in das Joch des Bügels 13 eingelassen
und stoßen nach dem Durchlaufen des Drehwinkels a an die Anschlagkontakte, wodurch
eine Schalthandlung bewirkt werden kann. Die Stromzuführung erfolgt momentfrei über
ein dünnes Silberband (nicht gezeichnet) ebenfalls von der Isolierleiste 22 her.
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An der Seite des Topfes 3 ist eine weitere Kontakteinrichtung angebracht,
die in der Hauptsache aus einer Stütze 25 mit daran befestigtem festem Kontakt 26,
einem beweglichen Teil 27 und einem damit verbundenen Dauermagneten 28 besteht.
Eine Bewegung des Dauermagneten wird mit Hilfe eines Stiftes 30 auf den beweglichen
Kontakt 29 übertragen.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung ist nun folgende: Soll ein Halbleiterstab,
beispielsweise zwecks Reinigung, einer Behandlung durch Zonenziehen unterworfen
werden, so wird er in die Halterungen der Zonenzieheinrichtung eingesetzt. Die untere
Stabhalterung ist mit einem Antrieb für eine Drehbewegung um die Längsachse des
Stabes versehen und ruht zunächst einmal. Die Stromspule 20 wird eingeschaltet.
Infolge des Zusammenwirkens der Magnetfelder der Stromspule 20 und des Dauermagneten
19 versucht der letztere sich in Längsrichtung der Spule einzustellen. Da der Bügel
13, mit dem der Magnet 19 fest verbunden ist, sehr leichtbeweglich gelagert ist,
wäre eine solche Drehung möglich, wenn der Bügel 13 nicht über die Dauermagneten
12 mit dem Weicheisenanker 11 in Verbindung stünde. Diese Magneten 12 halten den
Bügel 13 fest, solange derWeicheisenanker 11, der ja mit der Stabhalterung 9 fest
verbunden ist, keine Drehung zuläßt. Wird nun der Halbleiterstab an irgendeiner
Stelle über seinen gesamten Querschnitt aufgeschmolzen, so wird die starre Verbindung
zwischen oberer und unterer Stabhalterung aufgehoben, und die obere Stabhalterung
9 wird zu einer Drehung freigegeben. Infolge des durch das Zusammenwirken der Magnetfelder
von Stromspule 20 und Dauermagnet 19 hervorgerufenen Drehmomentes führen Stabhalterung
9 und Bügel 13 eine Drehbewegung um die Längsachse des Halbleiterstabes aus. Diese
Bewegung wird durch das Anschlagen eines Kontaktstiftes 24 an den zugehörigen Anschlagkontakt
23 beendet. Diese Kontaktgabe kann dann zu einer Meldung bzw. zu einem Kommando
benutzt werden.
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Wird die Kontakteinrichtung nur zu einer Meldung benutzt, so genügt
es, wenn die Meldung unverzögert übermittelt wird, wenn also beispielsweise die
Drehung des Bügels verhältnismäßig schnell vor sich geht und die Kontaktgabe sofort
zu einem akustischen oder optischen Signal führt, das den die Arbeit Durchführenden
darauf aufmerksam macht, daß die Zone erschmolzen ist. Er kann nach einem zweckmäßig
erscheinenden Zeitraum den Vorschub der Zone und die Drehung des Teiles des Halbleiterstabes
einschalten,
der sich unterhalb der Schmelzzone befindet, und gegebenenfalls auch eine Änderung
der Energiezufuhr herbeiführen.
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Im Falle der Automatisierung des gesamten Vorganges kann die Kontaktgabe
zur Einschaltung von Relais benutzt werden, die dann die einzelnen Arbeiten in Gang
setzen. Hierbei ist eine Verzögerung nötig, da es vorkommen kann, daß der Halbleiterstab
zwar bereits so weit durchgeschmolzen ist, daß eine Bewegung der oberen Stabhalterung
ermöglicht wird, daß aber beim Durchdrehen der unteren Stabhalterung eine Störung
auftreten könnte, weil sich beispielsweise die in die Schmelzzone von beiden Seiten
hineinragenden Kegel aus festem Halbleitermaterial miteinander verhaken. Diese Verzögerung
kann rein elektrisch, beispielsweise durch verzögerte Relais, bewirkt werden, sie
kann aber auch, wie in dem dargestellten Beispiel, durch eine Verlangsamung der
Bewegung des Bügels 13 herbeigeführt werden. Der obere Hohlraum des Topfes 3, der
durch den Deckel 18 abgeschlossen wird, ist mit Öl gefüllt, das die Bewegung der
Flügel 17 hemmt.
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Eine Dämpfung der Drehung des oberen Teiles des Halbleiterstabes erscheint
in jedem Falle zweckmäßig, um eine Störung der Schmelzzone durch eine zu heftige
Bewegung zu verhindern.
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Da eine Öldämpfung dieser Art auf dem kurzen Wege, den der Bügel 13
zurücklegt (Drehwinkel a in Fig. 2), für manche Zwecke noch zu wenig Verzögerung
bringt, erscheint es ratsam, eine weitere Verlängerung der Zeit zwischen dem Zeitpunkt
des Durchschmelzens der Zone und der Signalgabe dadurch herbeizuführen, daß man
den Bügel 13 seinen Weg mehrfach durchlaufen läßt.
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Beispielsweise kann nach einem Durchlaufen des Drehwinkels a die Berührung
des Kontaktes eine Umpolung der Stromspule 20 hervorrufen, worauf der Bügel in entgegengesetzter
Richtung zurückläuft und danach die Berührung des anderen Kontaktes zu den vorgenannten
Schalthandlungen führt. Wird dann die Drehbewegung der unteren Stabhalterung eingeschaltet,
so bleibt der Bügel 13 in der zuletzt erreichten Stellung, die gleichzeitig
seine Ausgangsstellung ist, stehen. Die mechanische Verbindung zwischen oberer und
unterer Stabhalterung ist ja durch die dazwischenliegende Schmelzzone unterbrochen.
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Tritt durch irgendeine Störung, beispielsweise durch den Ausfall der
Speisespannung der Heizeinrichtung, ein Einfrieren der Schmelzzone ein, so wird
die obere Stabhalterung 9 von der Drehbewegung der unteren Stabhalterung mitgenommen.
Da der Bügel 13 dieser Bewegung nicht folgen kann, wird der Weicheisenanker
11 aus der Verbindung mit den beiden Magneten 12 herausgerissen. Er verläßt das
Gebiet des Drehwinkels a und kommt nach etwa einer Viertelumdrehung in den Bereich
des Dauermagneten 28 der zusätzlichen Kontakteinrichtung. Dieser Dauermagnet bewegt
sich in radialer Richtung auf den Anker 11 zu und verbindet damit die Kontakte 26
und 29. Dies kann zu einer entsprechenden Signalgabe und/oder zur Abschaltung der
gesamten Anlage bzw. der betroffenen Teile benutzt werden. Durch die Ergänzung der
erfindungsgemäßen Einrichtung mit der aus den Teilen 25 bis 30 bestehenden Kontakteinrichtung
besteht also die Möglichkeit, nicht nur das Durchschmelzen des Halbleiterstabes,
sondern auch das Einfrieren der Schmelzzone zu überwachen.