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Verfahren und Vorrichtung zur Verkleinerung des Querschnittes eines
Halbleiterstabes durch tiegelfreies Zonenschmelzen Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Verkleinerung des Querschnittes eines Halbleiterstabes durch tiegelfreies Zonenschmelzen,
bei dem eine von einem Hochfrequenzgenerator gespeiste, den an seinen Enden gehalterten,
lotrecht stehenden Halbleiterstab ringförmig umgebende Induktionsspule eine Schmelzzone
erzeugt und der Abstand der Stabhalterungen voneinander vergrößert wird. Erfindungsgemäß
wird in unmittelbarer Nähe der Schmelzzone die Wärmestrahlung des dünneren Stabteiles
bestimmt und durch Vergleich mit einem Sollwert zur selbsttätigen Rückführung des
Durchmessers des dünneren Stabteiles auf einen gewünschten Wert verwendet. Zweckmäßigerweise
wird die Wärmestrahlung mit Hilfe von Thermoelementen als elektrische Spannung dargestellt
und als Sollwertgeber eine einstellbare elektrische Spannungsquelle verwendet.
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Es ist bereits ein Verfahren zur Behandlung eines Halbleiterstabes
durch tiegelfreies Zonenschmelzen bekanntgeworden (siehe z. B. französische Patentschrift
1107 076), bei dem die an den Stabenden angreifenden Stabhalterungen in Richtung
der Stabachse bewegt werden, um den Querschnitt des Stabes zu verändern, insbesondere
um ihn zu vergleichmäßigen. Hierbei sind die Stabenden durch natürliche Wärmeableitung
ins Gehäuse der Zonenschmelzeinrichtung gekühlt.
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Die Erfindung bezieht sich auf die Verkleinerung des Querschnittes
eines Halbleiterstabes, und zwar um die Verkleinerung des Querschnitts im Maßstab
von etwa einer Zehnerpotenz oder mehr. Für verschiedene Zwecke werden Halbleiterstäbe
sehr geringen Querschnitts benötigt, während das Material für gewöhnlich in größeren
Stärken anfällt. So wird z. B. nach einem früheren Vorschlag Halbleitermaterial
dadurch gewonnen, daß es durch chemische Zersetzung aus einer gasförmigen Verbindung
dargestellt und auf einem dünnen Faden, z. B. von 2 bis 5 mm Durchmesser, desselben
Materials niedergeschlagen wird. Dieses Verfahren wird so lange fortgesetzt, bis
der ursprüngliche Faden und das niedergeschlagene Material zusammen einen Halbleiterstab
der üblichen Stärke (10 bis 20 mm Durchmesser) bilden, der sich leicht dem bekannten
Zonenschmelzverfahren unterwerfen läßt. Die Gewinnung solcher fadendünnen »Seelen«
bietet verschiedene Schwierigkeiten. Deren Beseitigung ist eines der Ziele des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Insbesondere soll durch einen selbsttätigen Ablauf des Verfahrens für
eine Vergleichmäßigung der Erzeugnisse gesorgt werden. Auch für andere Zwecke, z.
B. als Impfling für das Einkristallzüchten, werden dünnere Halbleiterstäbe benötigt.
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An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. In
F i g. 1 ist der Bereich des Halbleiterstabes dargestellt, in dem die Verkleinerung
des Querschnitts vorgenommen wird; F i g. 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele von
Anordnungen, mit deren Hilfe das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden
kann.
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F i g. 1 zeigt den dickeren Stabteil 2 und den dünneren Stabteil
3 und den dazwischenliegenden übergang 4, der. durch die Schmelzzone gebildet wird.
Diese Schmelzzone wird mit Hilfe einer Induktionsspule 5, zweckmäßigerweise einer
Flachspule, die aus innen gekühlten Rohren besteht, erzeugt. Ein kleiner Metallzylinder
6 umgibt in unmittelbarer Nähe der Schmelzzone den dünneren Stabteil3. Er ist an
seinem oberen, der Schmelzzone abgewandten Ende durch eine Kühlschlange 7 gekühlt,
während sich an seinem unteren Ende verschiedene Thermoelemente 8
befinden.
Zwecks Abschirmung des Metallteiles 6 gegen Erwärmung durch die Induktionsspule
5 kann ein zweiter Metallzylinder mit geringem Abstand um den Metallteil 6 herumgelegt
und ebenfalls gekühlt sein.
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In F i g. 2 wurden für gleiche Teile gleiche Bezeichnungen gewählt.
Die Anordnung wird vervollständigt durch eine Kapazität 9, mit deren Hilfe der Blindstrom
der Heizspule 5 auskompensiert wird, einen Hochfrequenzgenerator 10, der zur Speisung
der Induktionsspule 5 dient, eine Einrichtung 11, die den dickeren Stabteil2 relativ
zur Heizspule nach oben bewegt, eine Einrichtung 12, die den dünneren Stabteil3
ebenfalls relativ zur Heizspule nach oben, aber mit einer dem verminderten Querschnitt
entsprechenden
vergrößerten Geschwindigkeit bewegt, eine Meßbrücke
13, in der die Meßspannung der Thermoelemente 8 mit einem Sollwert verglichen wird,
und einen Sollwertgeber 14, der z. B. aus einer einstellbaren Spannungsquelle
bestehen kann. Im Falle einer anderen Art der Temperaturmessung muß eine entsprechende
andere Art des Sollwertes aufgeschaltet werden. Der Hochfrequenzgenerator 10 arbeitet
zweckmäßigerweise auf der Flanke des durch die Heizspule 5 und die Kapazität 9 gebildeten
Schwingkreises (Heizkreis).
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Die Wirkungsweise der Anordnung gemäß F i g. 2 ist folgende: Der unmittelbar
an die Schmelzzone -1 angrenzende Teil des dünneren Stabteiles 3 befindet sich noch
auf erhöhter Temperatur und erwärmt den Metallzylinder 6 durch Strahlung. Nach kurzer
Zeit stellt sich das Gleichgewicht zwischen der Wärmezufuhr durch Strahlung und
der Kühlung durch die Kühleinrichtung 7 ein. Die Thermoelemente 8 bzw. andere Temperaturmeßgeräte
messen die Temperatur am unteren Ende des Metallzylinders 6 und registrieren somit
sofort jegliche Abweichung der Temperatur von einem gewünschten Sollwert. Diese
Abweichung der Temperatur von ihrem Sollwert kann nur durch Vergrößerung der Oberfläche
des dünneren Stabteiles 3, d. h. durch Vergrößerung des Querschnitts dieses Stabteiles
bewirkt werden. Da die Oberfläche dem Durchmesser proportional ist, ist auch der
Temperaturanstieg bzw. -abfall dem Durchmesser des dünneren Stabteiles 3 proportional.
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Der Hochfrequenzgenerator 10 arbeitet mit konstanter Frequenz. Abweichungen
des Anodenstromes von einem bestimmten Sollwert werden durch Veränderung der Bewegungsgeschwindigkeit
der unteren Stabhalterung 11a beseitigt. Dies kann z. B. so durchgeführt werden,
daß ein durch den Anodenstrom hervorgerufener Spannungsabfall an einem Widerstand
mit einem Sollwert verglichen und über ein gepoltes Relais zur Aufschaltung einer
in Größe und Richtung variablen Zusatzspannung auf den Antriebsmotor der Einrichtung
11 verwendet wird. Durch die schnellere bzw. weniger schnelle Zufuhr des dickeren
Stabteiles 2 zur Heizspule 5 wird die Ankopplung der Schmelzzone 4 an die Heizspule
und damit auch der Anodenstrom verändert. Hierdurch wird die zugeführte Leistung
des Heizkreises konstant gehalten. Die Leitung 15 soll die Beeinflußbarkeit der
Einrichtung 11 durch den Anodenstrom des Hochfrequenzgenerators 10 symbolisieren.
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Ähnlich wird eine Abweichung der an dem unteren Ende des Metallzylinders
6 gemessenen Temperatur von ihrem Sollwert über die Leitung 16 zur Änderung der
Bewegungsgeschwindigkeit der oberen Stabhalterung 12a verwendet. Durch entsprechende
Polung läßt sich erreichen, daß bei zu großem Durchmesser des dünneren Stabteiles
3 eine Vergrößerung der Bewegungsgeschwindigkeit und bei zu kleinem Durchmesser
eine Verminderung der Geschwindigkeit bewirkt wird. Dies führt dazu, daß der Durchmesser
des dünneren Stabteiles 3 stets auf seinen Sollwert zurückgeführt wird.
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In F i g. 3 wurden wiederum die gleichen Bezeichnungen wie in F i
g. 2 gewählt. Auch die Wirkungsweise der Anordnung ist derjenigen der F i g. 2 ähnlich.
Der Unterschied besteht in dem Wegfall der Leitung 16, wodurch die Beeinflussung
der Einrichtung 12 und damit der Bewegungsgeschwindigkeit der oberen Stabhalterung
12a ebenfalls wegfällt. Statt dessen ist eine Leitung 17 eingeführt, mit deren Hilfe
bei einem Abweichen der Temperatur des Metallzylinders 6 von dem Sollwert eine Änderung
der Frequcnz des Hochfrequenzgenerators 10 vorgenommen wird. Dies führt bei konstanter
Geschwindigkeit der oberen Stabhalterung 12a über eine Änderung der Geschwindigkeit
der unteren Stabhalterung 11 a zu einer Änderung des Durchmessers des oberen
Stabteiles 3. Der Anodenstrom und damit die Heizleistung wird in der vorbeschriebenen
Weise durch Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit der unteren Stabhalterung 11 a
konstant gehalten.
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Man kann auch die Rückführung des Anodenstromes durch Änderung der
Bewegungsgeschwindigkeit der unteren Stabhalterung 11a wegfallen lassen, womit auch
die Leitung 15 entfällt. In diesem Falle werden die Stabhalterungen mit konstanten
Geschwindigkeiten entsprechend dem gewünschten Querschnittsunterschied bewegt. Abweichungen
des Durchmessers des dünneren Stabteiles 3 führen nun über Temperaturänderungen
zu einer Änderung der Frequenz des Hochfrequenzgenerators 10 und damit zu
einer Leistungsänderung an der Heizspule, wodurch die Rückführung des Durchmessers
des dünneren Stabteiles 3 auf seinen Sollwert bewirkt werden kann. Diese Regelung
führt allerdings nur bei geringeren Abweichungen vom Sollwert zum Ziel.
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Eine weitere Möglichkeit ergibt sich durch Regelung der Bewegung der
unteren Stabhalterung 11 a bei konstanter Generatorfrequenz und konstanter Geschwindigkeit
der oberen Stabhalterung 12a, d. h. also durch eine Leistungsänderung der Heizspule
5. Bei dem Gerät gemäß der F i g. 3 müßten dann die Kommandoleitungen 15 und
17 entfallen, und es müßte statt dessen eine direkte Beeinflussung der Einrichtung
11 durch die Meßbrücke 13 über eine neu einzuführende Kommandoleitung erfolgen.
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Der Halbleiterstab sowie die Teile des Heizkreises und der Metallzylinder
6, gegebenenfalls auch andere Teile des Gerätes, können innerhalb eines Rezipienten
angeordnet und dieser mit den übrigen Teilen auf einem gemeinsamen Traggestell transportabel
zusammengebaut sein.