DE1259839B - Antrieb einer Halterung beim tiegelfreien Zonenschmelzen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

ALA=JAi

DEUTSCHES ■#!# PATENTAMT

Int. Cl.:

BOId

AUSLEGESCHRIFT

BOIj
Deutsche Kl.: 12 c - 2

Nummer: 1259 839

Aktenzeichen: S 91804 IV c/12 c

Anmeldetag: 1. Juli 1964

Auslegetag: 1. Februar 1968

Der Grundkörper von Halbleiteranordnungen, wie Gleichrichter, Transistoren, Fotodioden u. dgl., besteht meistens aus Germanium, Silicium oder einer intermetallischen Verbindung von Elementen der III. und V. Gruppe des Periodensystems. Für ihre Herstellung benötigt man große Mengen dieser Halbleitermaterialien von extrem hohem Reinheitsgrad.

Um diese Forderung weitgehend zu erfüllen, sind bereits verschiedene Gewinnungs- und Bearbeitungsverfahren entwickelt worden. So ist es bereits be- ίο kannt, einen durch Ziehen aus der Schmelze oder auf eine andere Art gewonnenen Halbleiterstab durch sogenanntes Zonenschmelzen in gewünschtem und benötigtem Maß zu reinigen. Bei diesem Verfahren 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. Mit der hierfür verwendeten Vorrichtung lassen sich beispielsweise auch Einkristalle züchten.

In Einrichtungen zum tiegelfreien Zonenschmelzen, insbesondere von Silicium, kann der senkrecht stehende Halbleiterstab an dem einen Ende fest gehaltert sein, während er an dem anderen Ende mit einem zunächst feststehenden, stabförmigen einkristallinen Keimkristall verschmolzen wird. Nach dem Durchschmelzen der Berührungszone zwischen Halbleiterstab und Keimkristall wird der Keimkristall über ein Getriebe in Umdrehungen um seine Längsachse versetzt. Es kann auch eine fortlaufende Drehung beider Stabenden gleichzeitig in gleicher Drehrichtung oder in entgegengesetzten Richtungen durchgeführt werden. Zur Übertragung der hierfür erforderlichen Antriebsmomente sind auch Vorrichtungen bekanntgeworden, die aus einem langgestreckten, ferromagnetischen Anker, der zusammen mit einer Stabhalterung auf derselben Welle angeordnet ist, und einem rotierenden Magneten bestehen. Der rotierende Magnet beeinflußt den ferromagnetischen Anker und setzt diesen samt der Welle und der Stabhalterung in Umdrehung.

Bei Einrichtungen dieser Art besteht die Schwierigkeit, den Zeitpunkt des Durchschmelzens des Halbleiterstabes festzustellen und ihn anschließend sofort weich und vibrationsfrei in Umdrehung zu versetzen. Wird die Drehung des Keimkristalls und/oder des Stabes zu früh eingeschaltet, so bricht der Keimkristall vom Halbleiterstab ab, oder die Kristallstruktur des einkristallinen Keimkristalls wird durch plastische Verformung zerstört. Wird dagegen der Zeitpunkt des Durchschmelzens überschritten, so Antrieb einer Halterung beim tiegelfreien
Zonenschmelzen

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. rer. nat. Wolf gang Keller, 8551 Pretzfeld - -

kann ein Durchhängen der Schmelzzone und damit eine kugelige Verdickung des Stabes oder sogar ein Wegtropfen des geschmolzenen Halbleitermaterials eintreten. Außerdem darf der Keimkristall nur kurze Zeit geglüht werden, da sonst infolge auftretender Wärmespannungen Versetzungen in der Kristallstruktur entstehen.

Es wurde gefunden, daß es vorteilhaft ist, auf den Halbleiterstab schon vor seinem Durchschmelzen dauernd ein kleines ungefährliches Drehmoment zu übertragen, so daß der Stab nach dem Durchschmelzen sofort gleichmäßig weich und vibrationsfrei in Umdrehung versetzt wird. Dies wird durch die Erfindung in besonders einfacher Weise möglich.

Sie betrifft einen Antrieb einer Halterung beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines um seine Längsachse drehbar innerhalb eines Hochvakuumgefäßes oder mit Schutzgas gefüllten Gefäßes angeordneten Halbleiterstabes, bestehend aus zwei relativ zueinander koaxial drehbaren Teilen, von denen der eine ein magnetisches Drehfeld erzeugt und auf den anderen überträgt und von denen einer innerhalb des Gefäßes mit der Halterung verbunden und der andere außerhalb des Gefäßes angeordnet ist, und besteht darin, daß derjenige Teil, auf den das magnetische Drehfeld übertragen wird, einen Ring aus elektrisch gut leitendem Metall aufweist, in welchem von dem magnetischen Drehfeld Wirbelströme erzeugt werden.

An Hand der Zeichnung sei die Erfindung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Vertikalschnitt und

F i g. 2 im Horizontalschnitt;

F i g. 3 stellt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vertikalschnitt und F i g. 4 im Horizontalschnitt dar.

709 747/486

In der Decke 2 des Vakuumgefäßes einer Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen, das die Zonenzieheinrichtung enthält, befindet sich eine Öffnung, die durch einen aus einem nicht magnetischen und elektrisch schlecht leitenden Werkstoff, z. B. Glas, Keramik, Kunststoff, aber auch austenitischer Chrom-Nickel-Stahl (V2A-Stahl), bestehenden Topf 3 mit Hilfe eines Dichtungsringes 4 verschlossen ist. Ein Wellenstumpf 5 ist mit Hilfe zweier Kugellager 6 und 7 in der Decke, des Topfes 3 drehbar gelagert. An seinem oberen Ende ist ein scheibenförmiger Eisenkern8 angeordnet. An der Mantelfläche des Eisenkernes .8 sind stabförmige Permanentmagnete 9 mit abwechselnder Polung sternförmig angeordnet. Am unteren Ende des Wellenstumpf es 5 ist eine Stabhalterung 10 befestigt. In ihr kann mit Hilfe von Schrauben 10 a (nur eine "dargestellt) der Halbleiterstab befestigt werden. Auf der Decke 2. des Vakuumgefäßes ist beispielsweise an Winkelstücken 12 ein Bügel 11 befestigt, in diesem Bügel 11 ist mit Hilfe von Kugellagern 14 und 15 ein weiterer Wellen- « stumpf 13 drehbar gelagert. Am unteren Ende des Wellenstumpfesrl3 . sind ein, Eisentopf 16 und am oberen Ende eine Antriebsscheibe .17 .angebracht. Am Innenrand des Eisentopfes 16 'ist in gleicher Höhe mit den stabförmigen Permanentmagneten 9 ein Ring 18 aus elektrisch gut leitendem Metall, vorzugsweise Kupfer, angeordnet. Ebenfalls in Höhe der Stabmagneten 9 ist außerhalb des Topfes 16 eine feststehende Fühlspule 19 mit radial gerichteter Achse angebracht.

Die Wirkungsweise der Einrichtung ist nun folgende: Soll ein Halbleiterstab, beispielsweise zwecks Reinigung, einer Behandlung durch Zonenziehen unterworfen werden, so-wird er an ,einein Bndein die drehbar gelagerte Halterung 10 der Zonenzieheinrichtung eingespannt. An das andere Ende wird vermittels der Induktionsspule der Zonenzieheinrichtung das freie Ende eines in einer Halterung am Boden des Vakuumgefäßes gegebenenfalls um seine Längsachse drehbar eingespannten, zunächst jedoch feststehenden, stabförmigen Keimkristalls angeschmolzen. Gleichzeitig wird der Topf 16 in Umdrehung versetzt. Dadurch werden in dem elektrisch leitenden Ring 18 Wirbelströme erzeugt, die auf Grund der Eisenwandung des. Topfes 16 noch verstärkt werden und die so gerichtet sind, daß sie die Bewegung, durch welche sie erzeugt werden, zu hemmen suchen. Auf den Eisenkern 8 und somit auch auf die Stabhalterung 10 wird daher vibrationsfrei ein Drehmoment übertragen,: dessen Größe außer von der Stärke des Magnetfeldes der Permanentmagnete 9 von der Drehzahl des Topfes 16 abhängig ist. Solange der Halbleiterstab hi der Schmelzzone noch nicht durchgeschmolzen ist, beträgt die Drehzahl des Topf es 16 etwa 20 bis 80 U/mm. Das bei dieser Drehzahl am Halbleiterstab ständig anliegende Drehmoment ist so klein, daß der Kein> kristall nicht beschädigt wird. Im Augenblick des Durchschmelzens beginnt das obere Ende des Halbleiterstabes weich um' seine Längsachse zu rotieren, während der Keimkristall in gleicher oder entgegengesetzter Drehrichtung zum Halbleiterstab in Rotation versetzt werden kann. Gleichzeitig induzieren die Stabmagnete 9 eine Spannung in der Fühlspule 19, die mit einer Anzeigevorrichtung, oder mit der selbsttätigen Regeleinrichtung der Zonenschmelzvorrichtung gekoppelt ist. Durch entsprechendes Einstellen der Drehzahl des Topfes 16 kann die Drehzahl des durchgeschmolzenen Halbleiterstabes weich und vibrationsfrei beeinflußt werden. Die Drehzahl des Topfes 16 beträgt bei durchgeschmolzenem Halbleiterstab etwa 60 U/min. Beginnt der Halbleiterstab in der Schmelzzone zu erstarren, nimmt die Umfangsgeschwindigkeit der Stabmagnete 9 ab. Auch dieser Vorgang kann mit Hilfe der Fühlspule 19 sofort angezeigt werden.

Ehie Abwandlung der erfindungsgemäßen Zonenschmelzeinrichtung kann darin bestehen, daß auf der Mantelfläche des Eisenkernes 8 ein Ring aus elektrisch gut leitendem Material befestigt ist, während am Innenrand des Topfes 16 in Höhe dieses Ringes stabförmige Permanentmagnete mit abwechselnder Polung sternförmig angeordnet sind.

Ehie weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht, wie in den F i g. 3 und 4 dargestellt ist, darin, daß auf der Mantelfläche des Eisenkernes 8 ein-. Ring 20" aus elektrisch gut leitendem Metall befestigt ist. Die. Wirbelströme im Ring werden durch ein magnetisches Drehfeld hervorgerufen, das in einer den Ring 20 umgebenden Feldwicklung für Mehrphasenwechselstrom erzeugt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht diese Feldwicklung aus drei in gleicher Höhe mit dem Ring 20 liegenden Magnetspulen mit radial gerichteter Achse, deren Winkelabstand bezüglich der Längsachse des Halbleiterstabes jeweils 120° beträgt. Die drei Magnetspulen-21 können beispielsweise in Sternschaltung geschaltet sein und mit Dreiphasenwechselstrom einstellbarer Frequenz und Phasen-* spannung gespeist werden.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Antrieb einer Halterung beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines um seine Längsachse drehbar innerhalb eines Hochvakuumgefäßes oder mit Schutzgas gefüllten Gefäßes angeordneten Halbleiterstabes, bestehend aus zwei relativ zueinander koaxial drehbaren Teilen, von denen der eine ein magnetisches Drehfeld erzeugt und auf den anderen überträgt und von denen einer innerhalb des Gefäßes mit der Halterung verbunden und der andere außerhalb des Gefäßes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Teil, auf den das magnetische Drehfeld übertragen wird, einen Ring aus elektrisch gut leitendem Metall aufweist, in welchem von dem magnetischen Drehfeld Wirbelströme erzeugt werden.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Feldstärke und/oder Frequenz des magnetischen Drehfeldes verstellbar sind.

3. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Teil, der das magnetische Drehfeld erzeugt, an der Halterung befestigt ist und aus einem koaxial angebrachten scheibenförmigen Eisenkern besteht, an dessen Mantelfläche stabförmige Permanentmagnete mit abwechselnder Polung sternförmig angeordnet sind, während derjenige Teil, auf den das magnetische Drehfeld übertragen wird, aus einem drehbar gelagerten, mit einstellbarer Drehzahl umlaufenden, die Mantelfläche des Eisenkerns konzentrisch umfassenden Ring aus ■ elektrisch gut leitendem Metall, vorzugsweise Kupfer, besteht, der in

einem rotationssymmetrischen Körper aus ferromagnetischem Material, vorzugsweise Eisen, eingelassen ist.

4. Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in gleicher Höhe mit den Stabmagneten eine feststehende Fühlspule mit radial gerichteter Achse außerhalb des Gefäßes angeordnet ist.

5. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Teil, auf den das magnetische Drehfeld übertragen wird, an der Halterung befestigt ist und aus einem scheibenförmigen, koaxial angebrachten Eisenkern besteht, auf dessen Mantelfläche ein diese umschließender Ring aus elektrisch gut leitendem Metall, vorzugsweise Kupfer, angeordnet ist, während derjenige Teil, der das magnetische Drehfeld erzeugt, ein mit einstellbarer Drehzahl rotierender topfartiger Körper mit den Ring konzentrisch umfassender Wandung ist, an deren Innenseite in ao Höhe des Ringes stabförmige Permanentmagnete mit abwechselnder Polung sternförmig angeordnet sind.

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6. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Teil, auf den das magnetische Drehfeld übertragen wird, an der Halterung befestigt ist und aus einem scheibenförmigen, koaxial angebrachten Eisenkern besteht, auf dessen Mantelfläche ein diese umschließender Ring aus elektrisch gut leitendem Metall, vorzugsweise Kupfer, angeordnet ist, während derjenige Teil, der das magnetische Drehfeld erzeugt, eine Feldwicklung für Mehrphasenwechselstrom mit einstellbarer Frequenz und/oder Spannung ist, die den Ring umgibt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1044 769,
071, 1165 882;
österreichische Patentschrift Nr. 213 448.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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