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Verfahren zur Verkleinerung des Querschnittes eines Halbleiterstabes
durch tiegelfreies Zonenschmelzen Es ist bereits ein Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen
eines an seinen Enden gehalterten Stabes aus Halbleitergrundstoff vorgeschlagen
worden, bei dem eine mittels induktiver Erhitzung durch eine Hochfrequenzspule erzeugte
Schmelzzone zwischen den beiden gehalterten Enden des Stabes in Richtung der Stabachse
entlang geführt und der Schmelzzonenquerschnitt durch Abstandsänderung eines Stabendes
beeinflußt wird. Bei diesem Verfahren wird der von einer Hochfrequenzstromquelle
in eine die Schmelzzone des Halbleiterstabes umgebende Spule eingespeiste Strom,
der sich bei sich ändernder Dicke des Stabes ebenfalls ändert, zur Steuerung einer
Einrichtung verwendet, die den Abstand der Halterungen des Halbleiterstabes zu ändern
in der Lage ist. Diese Einrichtung nähert die beiden Halterungen einander bzw. entfernt
sie voneinander, bis der Strom in der Hochfrequenzspule wieder den gewünschten Wert
hat.
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Bei einem 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 und bei dem der in die Spule eingespeiste Strom zur
Steuerung einer Einrichtung verwendet wird, die den Abstand der Halterungen des
Halbleiterstabes zu ändern in der Lage ist, kann aber der Meßwert für die Steuerung
genauer und gegebenenfalls auch schneller erfaßt werden, wenn erfindungsgemäß mit
Hilfe eines Meßschwingkreises, der aus einer den dünneren Stabteil in unmittelbarer
Nähe der Schmelzzone ringförmig umgebenden zweiten Spule und einer dazu parallelgeschalteten
Kapazität besteht, eine von dem Durchmesser des dünneren Stabteiles abhängige Meßspannung
erzeugt und durch Vergleich mit einem Sollwert zur Konstanthaltung des Durchmessers
des dünneren Stabteiles verwendet wird. Dies ist insbesondere bei einem Verfahren
zur Verkleinerung des Querschnittes eines Halbleiterstabes wichtig, da ein Meßwert,
der an der Schmelzzone gewonnen wird, sowohl die induktive Ankopplung der Schmelzzone
als auch der benachbarten Stabenden integriert, wobei der Teil dieses integralen
Wertes, auf den es ankommt, gerade den geringsten Einfluß ausübt. Wenn aber der
Meßwert direkt an dem dünneren Stabteil gewonnen wird, so zeigt er nicht die Ungenauigkeiten
bzw. die Schwerfälligkeit der Regelung, wie das bei dem obengeschilderten Verfahren
der Fall ist. Die Verkleinerung des Querschnittes kann dabei im Maßstab von etwa
einer Zehnerpotenz oder mehr erfolgen. Für verschiedene Zwecke werden Halbleiterstäbe
sehr geringen Querschnittes benötigt, z. B. ein dünner Faden, der als Träger beim
Niederschlagen von HalbIeitermateriaI durch chemische Zersetzung aus einer gasförmigen
Verbindung dient, doch fällt Halbleitermaterial gewöhnlich in größeren Stärken an.
Darüber hinaus soll durch einen selbsttätigen Ablauf des Verfahrens für eine Vergleichmäßigung
des Stabes gesorgt werden.
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An Hand der Zeichnungen soll das Verfahren näher erläutert werden.
In F i g.1 ist der Bereich des Halbleiterstabes dargestellt, in dem die Verkleinerung
des Querschnittes vorgenommen wird; F i g. 2, 3, 4 und 5 zeigen Ausführungsbeispiele
von Anordnungen, mit deren Hilfe das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden
kann.
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F i g.1 zeigt den dicken Teil 2 und den dünneren Teil 3 des Halbleiterstabes
sowie die Schmelzzone 4. Die letztere wird durch eine von einem Hochfrequenzgenerator
eingespeiste Induktionsspule 5, zweckmäßigerweise eine Flachspule, erzeugt> Um den
dünneren Stabteil 3 ist in unmittelbarer Nähe der Schmelzzone 4 eine Zylinderspule
6 gelegt, die zusammen mit einer Kapazität den Meßkreis bildet.
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In F i g. 2 wurden die gleichen Bezeichnungen für gleiche oder gleichwertige
Teile gewählt. Neu hinzukommen die Halterung 7 für den dicken Stabteil
2,
die Halterung 8 für den dünneren Stabteil 3, eine Kapazität 9, die zur
Kompensation des Blindstromes der Heizspule 5 dient und mit letzterer zusammen den
sogenannten Heizkreis bildet, eine Kapazität 10,
die mit der Meßspule 6 den
Meßkreis bildet, ein Verstärker und Gleichrichter 11, eine Meßbrücke 12, ein
Sollwertgeber
13, der Hochfrequenzgenerator 14, der den Heizkreis 5,9 einspeist,
eine Einrichtung 15, die zur Bewegung der unteren Stabhalterung 7 in Richtung der
Stabachse dient, und eine Einrichtung 16, die zur Bewegung der .oberen Stabhalterung
8 in Richtung der Stabachse dient. Der Halbleiterstab sowie die Teile des Meß- und
Heizkreises; gegebenenfalls auch andere Teile des Gerätes, können innerhalb eines
Rezipienten angeordnet und dieser mit den übrigen Teilen auf einem gemeinsamen Traggestell
transportabel zusammengebaut sein.
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Mit Hilfe der Einrichtung 15 wird die untere Stabhalterung mit einer
bestimmten Geschwindigkeit nach oben bewegt. Der dünnere Stabteil3 wird mit Hilfe
der Einrichtung 16 mit einer dem verringerten Querschnitt- entsprechenden größeren
Geschwindigkeit ebenfalls nach oben bewegt, während die Heizspule 5 und die in festem
Abstand zu ihr angeordnete Meßspule 6 ruhen. Der Hochfrequenzgenerätor 14 erzeugt
einen Heizstrom konstanter Frequenz. über eine Meßbrücke wird der Anodenstrom des
Hochfrequenzgenerators (Heizstrom) mit einem Sollwert verglichen und. bei Abweichung
eine entsprechende Veränderung der Geschwindigkeit der Halterung 7 vorgenommen,-
d. h.,. die aufgenommene Leistung des Heizkreises wird durch Veränderung der Nachschubgeschwindigkeit
des dickeren Stabteils 2 konstant gehalten. Durch schnellere oder weniger schnelle
Zufuhr' des dickeren Stabteils 2 zur Heizspule 5 läßt sich die Ankopplung der Schmelzzone
4 an die Heizspule 5 und damit auch der Anodenstrom verändern. Die Leitung 17 zeigt
die Verbindung zwischen dem Hochfrequenzgenerator 14 und der Einrichtung 15 an.
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Die Meßspule 6 ist an den Hochfrequenzgenerator 14 über die Heizspule
5 angekoppelt. Zweckmäßigerweise arbeitet der Generator auf einer Flanke der Resonanzkurve
des Heizkreises. Auch der Meßkreis wird auf einer Flanke angesteuert, und zwar mit
der Generatorfrequenz oder einer Harmonischen. Änderungen des Durchmessers des dünneren
Stabteils 3 machen sich infolge veränderter Ankopplung des Stabes über Induktivitätsänderungen
der Spule 6 als Spannungsänderungen am Meßkreis 6,10 bemerkbar. Diese werden über
den Verstärker und Gleichrichter 11 auf die Meßbrücke 12 gegeben und dort mit einem
Sollwert verglichen. Der Sollwertgeber 13 kann z. B. aus einer mit Anzapfungen versehenen
Batterie bestehen. Die Leitung 18 überträgt von der Meßbrücke 12 Befehle
zur Einrichtung 16, welche durch diese Befehle in der Weise beeinflußt wird,
daß eine Änderung. 'der Geschwindigkeit der Bewegung der Stabhalterung 8 zu einer
Rückführung der Stabdicke auf den Sollwert führt. Dies kann beispielsweise so geschehen,
daß ein durch die Meßbrücke 12 beeinflußtes gepoltes Relais eine variable Zusatzspannung
in der einen oder anderen Richtung auf den Motor schaltet, der in der Einrichtung
16 die Bewegung der Stabhalterung 8 bewirkt, so daß bei zu großem Durchmesser des
dünneren Stabteils 3 eine Vergrößerung der Geschwindigkeit der Stabhalterung eintritt
bzw. bei zu kleinem Durchmesser eine Verminderung.
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Selbstverständlich kann der Meßkreis 6,10 auch direkt an den Hochfreduenzgenerator
14 arigekoppelt werden, wodurch sich gegebenenfalls .gewisse Vorteile gegenüber
der Ankbpplung über die Heizspule 5 ergeben. _. Im Beispiel der F i g. 3 ist ein
zusätzlicher Meßgenerator 19 vorgesehen, der zur Einspeisung des Meßkreises
6,10 dient. Dieser Meßgenerator 19 arbeitet zweckmäßigerweise mit einer von
der Frequenz des Heizgenerators 14 oder deren Harmonischen abweichenden Frequenz.
Vorteilhaft wird zwischen dem Meßkreis 6,10 und dem Verstärker und Gleichrichter
11 ein Saugkreis oder Bandpaß 20 angeordnet, der die Heizfrequenz ausfiltert. Im
übrigen findet die Regelung genauso wie im Beispiel- der F i g. 2 statt.
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Der Aufbau gemäß F i g. 4 entspricht im wesentlichen dem der F i g.
3. Auch die Funktionen der einzelnen Teile der Anordnung bleiben in der Hauptsache
die gleichen. Der Unterschied besteht in dem Wegfall der Leitung 18 und damit der
Beeinflussung der Bewegung der Halterung 8 mit Hilfe der Meßbrücke 12. Statt dessen
führt eine Leitung 21 von der Meßbrücke 12 zum Heizgenerator 14, mit deren Hilfe
die Frequenz des Heizgenerators beeinflußt wird. Diese Frequenzänderung führt jedoch
zu einer Anodenstromänderung, die durch eine Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit
der unteren Stabhalterung 7 in der oben beschriebenen Weise rückgängig gemacht wird.
Die Relativgeschwindigkeit zwischen den Halterungen 8 und 7 wird also durch Frequenzänderung
des Generators 14 verändert. Der Durchmesser des dünneren Stabteils muß dieser Geschwindigkeitsänderung
folgen.
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Die Einwirkung der Einrichtung 12 auf die Frequenz des Generators
14 kann beispielsweise so erfolgen, daß ein gepoltes Relais, das durch den Unterschied
zwischen Soll- und Istwert in der Meßbrücke 12 betätigt wird, einen Hilfsmotor,
der die Frequenz z. B. durch Veränderung der Kapazität des Generatorschwingkreises
verstellt, innerhalb des Generators 14 in der einen oder anderen Richtung jeweils
für die Dauer der Abweichung des Istwertes einschaltet. Durch entsprechende Polung
läßt sich erreichen, daß die Abweichung des Durchmessers des dünneren Stabteils
im richtigen Sinne korrigiert und dieser damit auf den gewünschten Wert zurückgeführt
wird.
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Auch in F i g. 5 sind für gleiche Teile :gleiche Bezeichnungen gewählt,
nur die Leitung 17 der F i g. 4 ist weggefallen, d. h., der dickere Stabteil 2 und
der dünnere Stabteil 3 bewegen sich mit konstanten Geschwindigkeiten nach oben.
Das Geschwindigkeitsverhältnis zwischen beiden bestimmt bei gegebenem Durchmesser
des dickeren Stabteils den mittleren Durchmesser des dünneren Stabteils 3. Bei ungeeigneter
Leistungszufuhr über die Heizspule 5 kann es jedoch zu einem perlschnurartigen Wachstum
des dünneren Stabteils 3 kommen. Durch eine Beeinflussung der Leistung in Abhängigkeit
vom Durchmesser des dünneren Stabteils 3 über die Leitung 21 kann dieses Perlschnurwachstum
vermieden werden. Die Leistungsregelung des Hochfrequenzgenerators 14 kann z. B.
durch Einwirkung der Einrichtung 12 auf die Frequenz des Generators wie im
Beispiel der F i g. 4 erfolgen.
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Es kann auch eine Regelung in der Weise durchgeführt werden, daß bei
konstanter Frequenz des Generators 14 und konstanter Bewegungsgeschwindigkeit der
oberen Stabhalterung 8 eine Änderung der Geschwindigkeit der Bewegung der unteren
Stabhalterung 7 und damit auch eine Leistungsänderung der Schmelzzone 4 'vorgenommen
wird. In diesem
Fall wäre das Gerät gemäß F i g. 5 so zu ändern,
daß die Kommandoleitung von der Meßbrücke 12 zu der Einrichtung 15 geführt wird.
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Kurz zusammengefaßt wird in den Ausführungsbeispielen der F i g. 2
und 3 die Regelung so vorgenommen: Bei konstanter Frequenz des Hochfrequenzgenerators
14 wird die untere Stabhalterung 7 und damit der dicke Stabteil 2 mit bestimmter
Geschwindigkeit durch die Einrichtung 15 vorgeschoben. Bei Abweichungen des Anodenstromes
wird eine Veränderung dieser Geschwindigkeit im Sinne einer Rückführung des Anodenstromes
durchgeführt. Mit Hilfe eines Meßkreises, der aus einer um den dünneren Stabteil
in unmittelbarer Nähe der Schmelzzone gelegten Spule und einer Kapazität besteht,
wird eine Meßspannung abgenommen. Diese wird gleichgerichtet und mit einem Sollwert
verglichen, worauf durch Regelung der Geschwindigkeit der Bewegung der oberen Stabhalterung
8 und damit des dünneren Stabteils 3 eine Rückführung des Durchmessers des dünneren
Stabteils 3 auf den gewünschten Sollwert durchgeführt wird.
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Im Beispiel der F i g. 4 wird dagegen die Geschwindigkeit der Bewegung
des dünneren Stabteils konstant gehalten und statt dessen über eine Frequenzregelung
des Heizgenerators 14 eine Regelung der Geschwindigkeit der unteren Stabhalterung
vorgenommen und auf diese Weise die Rückführung des Durchmessers des dünneren Stabteils
3 auf den Sollwert durchgeführt.
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Im Beispiel der F i g. 5 wird statt dessen die Bewegungsgeschwindigkeit
beider Stabhalterungen konstant gehalten und eine reine Leistungsregelung mit Hilfe
einer Frequenzregelung des Hochfrequenzgenerators 14 vorgenommen.