DE1205167B - Spulenkoerper zum induktiven Erhitzen eines elektrisch leitenden Koerpers im magnetischen Hochfrequenzfeld beim Zonenschmelzen - Google Patents

Description

• Spulenkörper zum induktiven Erhitzen eines elektrisch leitenden Körpers im magnetischen Hochfrequenzfeld beim Zonenschmelzen Die Erfindung betrifft einen Induktor zum Erhitzen eines elektrisch leitenden Körpers im hochfrequenten Magnetfeld beim Zonenschmelzen. Bekanntlich lassen sich verschiedene Körper, wie Metalle und Halbleitermaterialien, bei ausreichender Stärke des Feldes und entsprechender Frequenz im magnetischen Hochfrequenzfeld durch Erhitzen zum Schmelzen bringen. Davon wird z. B. in der Halbleitermetallurgie beim Zonenschmelzen Gebrauch gemacht. Beim Zonenschmelzen kommt es darauf an, ein räumlich scharf gebündeltes, hochfrequentes Magnetfeld zu erzeugen, das ein scharf begrenztes, zonenförmiges Erhitzen des in der Regel stabfönnigen Heizgutes gewährleistet. Für die Herstellung von Einkristallen nach dem Zonenschmelzverfahren, insbesondere beim tiegellosen Zonenschmelzen des Siliziums, erhebt sich unter dem Gesichtspunkt einer ausreichenden Strukturgüte des wachsenden Einkristalls die zusätzliche Forderung nach größtmöglicher Symmetrie des hochfrequenten Magnetfeldes.
• Die bisher bekanntgewordenen Vorrichtungen zum Erhitzen elektrisch leitender Körper im magnetischen Hochfrequenzfeld bestehen in der Regel aus ein-oder mehrwindigen, aus Kupferrohr gewickelten Spulen unterschiedlicher Konstruktion. Die mehrwindigen Spulen können ein- oder mehrlagig und mit Hilfswindungen oder Kurzschlußringen versehen sein. Sie gewährleisten zwar eine günstige Anpassung an vorhandene Kleinleistungsgeneratoren, sind aber im Hinblick auf das erzeugte Wännefeld wegen der großen Unsymmetrie und der geringen axialen Bündelung nachteilig. Außerdem zeigt sich bei diesen Spulen in der Praxis bei der Anwendung in Vakuuminnenheizanlagen eine erhebliche Gefahr des Kurzschlusses zwischen den Spulenwindungen, verursacht durch aufdampfendes Material aus der Schmelzzone. In vielen Fällen werden trotzdem mehrwindige Spulen angewendet, da die zur Durchführung des Schmelzprozesses erforderlichen Amperewindungszahlen mit den üblicherweise verwendeten Generatoren kleiner Leistung nur mittels mehrwindiger Spulen erzeugt werden können. Eine gewisse Verbesserung der Symmetrie des Wärinefeldes läßt sich durch einwindige, gewickelte oder gedrehte Spulen erreichen, wobei die erforderliche Amperewindungszahl jedoch durch einen hohen HF-Strom erzeugt werden muß, was die Anwendung eines leistungsstarken Generators bedingt und zu einer Verteuerung des Verfahrens führt. Aus diesem Grunde wird der einwindige Typ, trotz seiner Vorzüge hinsichtlich der axialen Bündelung und der radialen Symmetrie des hochfrequenten Magnetfeldes, in wesentlich geringerem Umfang angewandt.
• Es ist ebenfalls bekannt, zur Konzentration des Magnetfeldes sogenannte Glühübertrager zu verwenden, die durch einen geschlitzten Kupferring großen Querschnittes gebildet werden und mit der Glühspule gekoppelt sind. Diese Anordnungen vereinigen die Vorzüge der ein- und mehrwindigen Spulentypen, bringen aber eine erhebliche Verringerung des Gesamtwirkungsgrades mit sich, so daß sie nur in Verbindung mit leistungsstarken Sendern zu verwenden sind. überdies handelt es sich hier in der Regel um räumlich große Konstruktionen, deren Anwendung bisher nur in Verbindung mit Außenheizungs-Floatinganlagen bekanntgeworden ist.
• Der erfindungsgemäße Induktor ist besonders für das Zonenfloaten in Hochvakuum-Innenheizanlagen bestimmt. Er gewährleistet eine scharfe Bündelung des Magnetfeldes mit hoher Radialsymmetrie und gestattet außerdem die Verwendung der üblichen Kleinleistungsgeneratoren mit etwa 5 kW HF-Leistung, bei ausreichender Amperewindungszahl. Das wesentliche Merkmal des erfindungsgemäßen Spulenkörpers besteht darin, daß der geschlitzte, hohle Spulenkörper einen keilförmigen Querschnitt besitzt, der vom äußeren Spulenrad nach innen abnimmt, und daß um den Spulenkörper herum eine mit ihm in Reihe geschaltete ein- oder mehrwindige Hilfsspule angeordnet ist. Der Spulenkörper ist hohl und wird von Kühlwasser durchströmt. Zum besseren Verständnis sei das Prinzip des erfindungsgemäßen Induktors an Hand einer Zeichnung, die den Spulenkörper im Schnitt und in Draufsicht zeigt, erläuterL Der Induktor besteht aus einem geschlitzten Spulenkörper 1 mit beispielsweise dreieckigem Querschnitt, der von mehreren Windungen einer Hilfsspule 2 aus Kupferrohr umschlossen wird ' Durch 'Spulenkörper und Hilfsspule wird Kühlwasser geleitet. Der Strom-und Kühlwasserzufluß erfolgt von der Generatorklemme über die Zuleitung 4, die Hilfsspule 2, ' den Spulenkörper 1 zur Ableitung 3 und wieder zurück zum Generator.
• Die axiale Bündelung erfolgt dadurch, daß der die Schmelzwirkung hervorrufende HF-Strom infolge des bekannten Spuleneffektes nur an der inneren, schmalen Spulenkante fließt. Die erforderliche Amperewindungszahl stellt sich dadurch ein, daß der durch den Spulenkörper fließende Primärstrom von den durch die Hilfsspulen an der Außenkante des Spulenkörpers induzierten Sekundärströmen überlagert wird. Ein besonderer Vorteil ist, daß der direkte Einfluß der Hilfsspule auf das Heizgut durch die abschirmende Wirkung des -Spulenkörpers praktisch vollständig ausgeschaltet ist. Der schmale Schlitz im Spulenkörper beeinträchtigt die radiale Symmetrie nicht. Der erfindungsgemäße Induktor vereinigt also die Vorzüge der einwindigen Spule, große Bündelung und Radialsymmetrie, mit denen der mehrwindigen Spule, nän-Aich hoher Amperewindungszahl. Weitere Vorzüge des Induktors sind seine mechanische Stabilität und räumliche Kleinheit sowie die Ausschaltung eines etwaigen Kurzzschlusses zwischen den Spulenwindungen durch aufdampfendes Material, da die Hilfsspule im Bedampfungsschatten des Spulenkörpers liegt. Der Induktor stellt in elektrischer Hinsicht praktisch einen Spartransformator dar. Durch die Variierung der Windungszahl der Hilfsspule läßt sich leicht eine optimale Anpassung des Heizgutes an den Generator erzielen. Die Hilfsspule kann so ausgebildet werden, daß zusätzliche Windungen ober- bzw. unterhalb der Schmelzzone den Siliziumstab vorheizen. Des weiteren können am Spulenkörper zusätzlich Kurzschlußwindungen befestigt werden, welche obere - bzw. unterhalb der Schmelzzone angeordnet werden.

Claims (3)

1. - Pa tentansprüche: 1. Spulenkörper zum induktiven Erhitzen eines elektrisch leitenden Körpers im magnetischen Hochfrequenzfeld beim Zonenschmelzen, d a -* durch gekennzeichnet, daß der geschlitzte, hohle Spulenkörper einen keilförmigen Querschnitt besitzt, der vom äußeren Spulenrand nach innen abnimmt, und -daß um den Spulenkörper herum eine mit ihm in Reihe geschaltete ein- oder mehrwindige Hilfsspule angeordnet ist.
2. 2. Spulenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Hilfsspule in Reihe geschaltete zusätzliche Spulenwindungen ober-oder unterhalb des Spulenkörpers angeordnet sind. 3. Spulenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Spulenkörper eine oder mehrere Kurzschlußwindungen angeordnet sind.
3. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 866 824, 921399; deutsche Auslegeschrift Nr. 1147 700; britische Patentschrift Nr. 885 041.