DE1198324B - Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

BOIj

Deutsche Kl.: 12c-2

1198 324
S87138IVC/12C
6. September 1963
12. August 1965

Es ist bekannt beim tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterial in einem an seinen Enden gehaltenen stabförmigen Körper durch Heizwirkung eine Schmelzzone zu erzeugen, welche durch eine Relativbewegung zwischen dem stabförmigen Körper und der Heizeinrichtung durch den Körper hindurchgeführt wird. Es ist auch bereits bekannt, als Heizeinrichtung eine den stabförmigen Körper umschließende Induktionsspule zu verwenden, welche mit einem parallelgeschalteten Kondensator einen Heizkreis bildet, der an einen Ausgangskreis eines Hochfrequenzgenerators angekoppelt ist. Der Hochfrequenzgenerator kann eine Frequenz von beispielsweise 3 bis 5 MHz haben.

Es ist auch bereits bekannt, beim tiegelfreien Zonenschmelzen mit induktiver Beheizung der Schmelzzone den in den Heizkreis eingespeisten Strom als Maß für die Ankopplung und damit für die Dicke des behandelten stabförmigen Körpers zu verwenden und auf diese Weise eine Regelung der Dicke des behandelten Körpers vorzunehmen. Vorzugsweise wird der Abstand der beiden Stabhalterungen voneinander in Abhängigkeit von Änderungen des in. den Heizkreis eingespeisten Stromes gesteuert. Die Zuordnung ist eine solche, daß bei einer Verschlechterung der Ankopplung der Schmelzzone an die Induktionsheizspule die Stabhalterungen einander genähert werden, so daß die Schmelzzone, welche sich zwischen den beiden festen Stabteilen befindet, gestaucht und verdickt wird, wodurch die Ankopplung wieder verbessert wird. Hiermit kann eine selbsttätige Regelung des Stabdurchmessers aufgebaut werden, indem beispielsweise der in den Heizkreis eingespeiste Strom mit einem Sollwert verglichen wird und bei Abweichungen von diesem Sollwert die Stabhalterungen in Abhängigkeit von diesen Abweichungen bewegt werden.

Läßt man den Hochfrequenzgenerator auf einer derartigen Frequenz arbeiten, daß der Arbeitspunkt bei flüssiger Schmelzzone auf der induktiven Flanke der Resonanzkurve des Heizkreises liegt, d. h. auf dem mit zunehmender Induktivität steigenden Ast der Strom- bzw. Spanungskurve des Heizkreises (s. beispielsweise deutsche Patentschrift 962006), so treten Schwierigkeiten bei größeren Stabdicken, z. B. bei Siliciumstäben von über 20 mm Durchmesser, auf, indem gelegentlich der Regelungsmechanismus außer Tritt fallen kann. Bei diesen größeren Stabdurchmessern kann es vorkommen, daß die Regelung über den Resonanzpunkt der Resonanzkurve hinwegführt, wodurch die Regeleinrichtung in der Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. rer. nat. Wolfgang Keller, Pretzfeld

verkehrten Richtung regelt und damit zu einem Zusammenbruch der Regelung führt.

Diese Schwierigkeiten werden bei einem Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines an semen Enden gehaltenen stabförmigen Körpers, in dem mit Hilfe einer ihn. umschließenden Induktionsheizspule eine Schmelzzone erzeugt wird, die durch den Körper hindurchgeführt wird, wobei ein aus der Induktionsheizspule und einer parallelgeschalteten Kapazität gebildeter Heizkreis an den Ausgangskreis eines Hochfrequenzgenerators angekoppelt ist und wobei der Abstand der Stabhalterungen voneinander in Abhängigkeit von Änderungen des in den Heizkreis eingespeisten Stromes geregelt wird, vermieden, wenn erfindungsgemäß der Hochfrequenzgenerator bei flüssiger Schmelzzone stets auf der kapazitiven Flanke der Resonanzkurve des Heizkreises arbeitet.

An Hand von Ausführungsbeispielen, aus welchen weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung hervorgehen, soll das Verfahren näher beschrieben werden. In

F i g. 1 ist eine Vorrichtung dargestellt, mit deren Hilfe das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann;

F i g. 2 zeigt die Resonanzkurve des Heizkreises, während

Fig. 3 die Schmelzzone in einem stabförmigen Körper beim tiegelfreien Zonenschmelzen zeigt.

In F i g. 1 wird ein stabförmiger Körper 2 zwischen zwei Halterungen 3 und 4 gehalten. Eine Heizspule 5 umschließt den Stab und erzeugt eine Schmelzzone 6 durch induktive Beheizung. Der Heizspule 5 ist eine Kapazität? parallel geschaltet, welche mit einer Induktionsheizspule einen Heizkreis bildet. Dieser ist an die Ausgangsklemmen 8 eines Hochfrequenzgenerators 9 angeschlossen, welcher beispielsweise von einer Gleichstromquelle 10 gespeist wird. Für Rege-

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lungszwecke ist der Anodenstrom des Hochfrequenzgenerators 9 hinausgeführt, welcher dem in den Heizkreis eingespeisten Strom etwa proportional ist. Dieser Anodenstrom 1_A durchfließt einen einstellbaren Widerstand 11. Der Spannungsabfall an dem Widerstand U kann mit Hilfe eines Meßgerätes 12a gemessen werden. Während der Spannungsabfall an dem Widerstand 11 den Istwert der Regeleinrichtung darstellt, bildet eine Spannungsquelle 12 den Sollwert der Einrichtung. Eirf Relais 13 dient zur Betätigung eines Umschalters 14, mit dessen Hilfe ein Motor 15 an eine Gleichstromquelle 16 angeschaltet werden kann. Durch Umschalten des Umschalters 14 wird die Drehriehtang des Motors 15 umgekehrt. Der Motor 15 treibt beispielsweise über ein Untersetzungsgetriebe ein Zahnrad 18 an, welches auf eine Zahnstange 17 einwirkt, die mit der Halterung 3 verbunden ist. Die Halterung 4 wird in Richtung der Stabachse festgehalten. Sie kann in bekannter Weise um ihre eigene Achse in Drehung versetzt werden.

Arbeitet der Hochfrequenzgenerator 9 auf der induktiven Flanke des Heizkreises 5,7, z. B. im Punkt I der Resonanzkurve gemäß Fig. 2, so findet bei einer Abweichung des Stabdurchmessers von seinem Sollwert folgende Regelung statt: Infolge der Abweichung vom Sollwert ändert sich die Ankopplung der Schmelzzone 6 an die Heizspule 5, wodurch der in den Heizkreis eingespeiste Strom und damit der Anodenstrom des Hochfrequenzgenerators verändert wird. Damit ändert sich der Spannungsabfall in dem Widerstand 11, wodurch das Relais 13 bei richtiger Polung in der gewünschten Richtung anzieht und damit für eine Bewegung des Motors 15, des Zahnrades 16, der Zahnstange 17 und der Halterung 3 in der gewünschten Richtung sorgt. Hierdurch wird die Abweichung von dem Sollwert wieder ausgeglichen, und das aus der Schmelzzone auskristallisierende Halbleitermaterial zeigt eine verringerte Abweichung vom Sollwert bzw- überhaupt keine Abweichung mehr.

Es hat sich nun herausgestellt, daß insbesondere bei der Verwendung einer sogenannten Flachspule, wie sie z.B. in Fig.3 dargestellt ist, das Aufschmelzen des behandelten Körpers nicht kontinuierlich, sondern stoßweise erfolgt. Es sei beispielsweise angenommen, daß die Flachspale Sa in Fig. 3 nach oben wandert, wodurch in etwa die in Fig.3 dargestellte räumliche Zuordnung zwischen den festen Stabteilen Za und 2b, der Schmelzzone 6a und der Heizspule 5 α besteht. Das behandelte Material schmilzt also an der Oberseite der Schmelzzone 6 a und kristallisiert an der Unterseite wieder aus. Hierbei kommt es vor, daß eine langsam ins Glühen gekommene »Insel« des Stabteiles Za plötzlich in den flüssigen Zustand kommt und hierbei nach unten in den Bauch der Schmelzzone 6 a läuft. Hierdurch wird schlagartig die Ankopplung der Heizspule 5a an die Schmelzzone 6 a schlechter, da sich auch die Heizspule im oberen Bereich der Schmelzzone und damit am Hals derselben befindet. Dieser Hals wird durch das plötzliche Aufschmelzen eines Teiles des festen Halbleitermaterials plötzlich eingeschnürt und verschlechtert hierdurch die Ankopplung.

Das führt über eine VeiscMechierung des Gegenfeldes der Schmelzzone zu dem Feld der Heizspule zu einem sofortigen Stromanstieg in der Heizspule, und diese sorgt momentan für eine weitere Ver-

schlechterung der Ankopplung, da die magnetischen Kräfte der Heizspule zu einem weiteren Wegdrückendes flüssigen Materials im Bereich des Halses der Schmelzzone sorgen. Hiermit verschlechtert sich die Ankopplung weiter, es findet eine weitere Vergröße-

rung des in den Heizkreis gespeisten Stromes statt, wobei es, wie zuvor angegeben, vorkommen kann, daß der Arbeitspunkt über den Resonanzpunkt der Resonanzkurve hinübergeht. Hierdurch fällt die Regelung außer Tritt, wodurch für gewöhnlich die

Schmelzzone fest wird und das Zonenschmelzen unterbrochen wird.

Wird nua erfktdungsgemäß eine derartige Abstimmung des Hochfrequenzgenerators und des Heizkreises vorgenommen, daß der Hochfrequenzgenera-

ao tor auf der kapazitiven Flanke der Resonanzkurve des Heizkreises arbeitet, also beispielsweise im Punktell, so kann- dieses gefährliche Aufschaukelet der Regeleinrichtung nicht mehr vorkommen. Selbstverständlich muß in diesem Fall die Regelautomatik umgepolt werden.

In Fig. 2 ist die Spannung O_n am Heizkreis bzw. der Anodenstrom J₄ des Hochfrequenzgenerators über der Generatorfrequenz aufgetragen, und zwar beides im linearen Maßstab.

Vorteilhaft wird die Regelautomatik so ausgebildet, daß eine Regelung sowohl auf der induktiven als auch auf der kapazitiven Flanke, d.h. in den Arbeitspunkten; I und II möglich ist. In diesem Fall kann der Durchlauf der Schmelzzone durch den Halbleiterstab nach oben erfolgen, wobei auf der kapazitiven Flanke gearbeitet wird, während beim Äbwärtsfahren einer Glühzone durch den Halbleiterstab auf der induktiven Flanke gearbeitet wird. Durch die Anwendung von das Feld der Induktionsheizspule verändernden .Zusatzeinrichtungen wie Stützspulen bzw. Kurzschlußringen tritt eine Störung der normalen Form der Schmelzzone ein. Das erfindungsgemäße Verfahren wird deshalb vorteilhaft ohne derartige Mittel, nur mit Anwendung einer Flachspule, wie in Fig. 3 dargestellt, durchgeführt.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines an seinen Enden gehaltenen stabformigen Körpers, in dem mit Hilfe einer ihn umschließenden Induktionsheizspule eine Schmelzzone erzeugt wird, die durch den Körper hindurchgeführt wird, wobei ein aus der Induktionsheizspule und einer parallelgeschalteten Kapazität gebildeter

   Heizkreis an den Ausgangskreis eines Hochfrequenzgenerators angekoppelt ist und wobei der Abstand der Stabhalterungen voneinander in Abhängigkeit von Änderungen des in den Heizkreis eingespeisten Stromes geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator bei flüssiger Schmelzzone stets auf der kapazitiven Flanke der Resonanzkurve des Heizkreises arbeitet.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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