DE1519872B2

DE1519872B2 -

Info

Publication number: DE1519872B2
Application number: DE19651519872
Authority: DE
Priority date: 1965-06-04
Filing date: 1965-06-04
Publication date: 1971-10-21
Also published as: US3454368A; DE1519872A1; BE681815A; GB1126104A; CH432475A; NL6607745A

Description

Es sind Vorrichtungen zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes bekanntgeworden, die aus einer evakuierten oder mit Schutzgas gefüllten Schmelzkammer bestehen, in der der Stab vertikal angeordnet und z. B. an seinem oberen Ende in einer Halterung befestigt ist. Die Halterung befindet sich auf einer Welle. Der Stab ist von einer Heizeinrichtung, z. B. einer flachen Induktionsspule umgeben, deren Windungen in einer Ebene senkrecht zu der Stabachse liegen und die mit hochfrequentem Wechselstrom gespeist wird. Vor Beginn des Zonenschmelzprozesses im kristallinen Stab wird an dessen unterem Ende mit Hilfe der Heizeinrichtung ein in einer Halterung befestigter einkristalliner Impfling angeschmolzen. Die Halterung dieses Impflings ist ebenfalls auf einer Welle befestigt, die in axialer Richtung bewegt werden kann. Nach dem Anschmelzen des Impflings mit Hilfe der Schmelzspule werden die Halterungen von Stab und Impfling in Umdrehung versetzt. Gleichzeitig wird eine solche Relativbewegung zwischen Schmelzspule und Stab durchgeführt, daß die Schmelzzone, ausgehend vom Impfling, durch den Stab nach oben wandert. Hierzu kann entweder die Schmelzspule oder der Stab, d. h. die Wellen mit den Halterungen, in vertikaler Richtung bewegt werden. Auf diese Weise wird eine Reinigung des Stabes erreicht. Außerdem besitzt der am einkristallinen Impfling aufwachsende, aus der Schmelze der Schmelzzone rekristallisierte Stab weitestgehend einkristalline Struktur.

Vielfach reicht ein Zonendurchgang nicht-aus, um den kristallinen Stab im gewünschten Umfang zu reinigen. Es können daher noch weitere Zonendurchgänge erforderlich werden. Zu diesem Zweck wird die Leistung der Schmelzspule vermindert und eine solche Relativbewegung zwischen Schmelzspule und Stab durchgeführt, daß eine Glühzone durch den Stab geführt wird und daß sich die Schmelzspule nach Abschluß der Bewegung wieder in Höhe der Einwachsstelle des Impflings in den Stab befindet. Sodann wird die Schmelzzone erneut auf volle Leistung geschaltet und der Impfling aufgeschmolzen.

Es hat sich herausgestellt, daß die beim erneuten Aufheizen und Aufschmelzen des Impflings auftretenden Wärmespannungen schädlich für die Kristallstruktur des aus der.Schmelze wieder rekristallisierenden Materials sind. Da Stab und Impfling während des Aufheizens fest eingespannt sind, können sich die Wärmespannungen nicht ausgleichen, und es wirken erhebliche Kräfte auf den sich im plastischen Zustand befindlichen Impfling, die für die schlechte Kristallqualität des später aus der Schmelzzone rekristallisierenden Materials verantwortlich sind. Außerdem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn Stab und Impfling unmittelbar nach dem Durchschmelzen des Impflings möglichst in entgegengesetzter Richtung in Umdrehung versetzt werden.

Aus der Zeitschrift »Elektrie«, Heft 5, 1962, S. 135 bis 137, ist es ferner bekannt, zwischen der unteren Stabhalterung einer Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen und der unteren Antriebswelle für diese Stabhalterung eine Rutschkupplung mit zwei übereinander befindlichen Kupplungshälften anzubringen. Diese Rutschkupplung ist jedoch vor dem Betrieb nicht lösbar und schützt daher zwar den Stab vor dem Durchschmelzen gegen Bruch, entlastet aber den Stab und insbesondere einen an einem Stabende angeschmolzenen dünnen Impfkristall nicht von Wärmespannungen, die beim Augschmelzen vor dem Schmelzzonendurchgang auftreten.

Die Erfindung löst daher die Aufgabe, insbesondere den Impfkristall während des Aufschmelzens vor weiteren Zonendurchgängen von den dabei auftretenden Wärmespannungen zu entlasten. Außerdem wird mit Hilfe der Erfindung eine Vorrichtung geschaffen, mit deren Hilfe das Durchschmelzen des

ίο Impflings sofort feststellbar ist, so daß Stab und Impfling unverzüglich in Umdrehung versetzt werden können, wodurch ein gleichmäßig runder Querschnitt des aus der Schmelzzone rekristallisierenden Stabes erreicht wird.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Impfling mit Hilfe einer durch Vertikalbewegung einer der beiden Kupplungshälften lösbaren Kupplung frei von mechanischen Spannungen zu halten und die sofort beim Plastischwerden des Impflings

ao einsetzende Fallbewegung der oberen Kupplungshälfte zur Entlastung des Impflings und zur Durchschmelzmeldung auszunutzen.

Die Erfindung betrifft demgemäß eine Vorrichtung ( zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes, insbesondere aus Halbleitermaterial, mit zwei vertikal übereinander angeordneten Stabhalterungen sowie mit einer Antriebswelle, die über eine zwei übereinander befindliche Kupplungshälften aufweisende Kupplung mit der unteren Stabhalterung verbunden ist. Diese Vorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die obere Kupplungshälfte mit der unteren Stabhalterung in vertikaler Richtung beweglich ist und daß die Kupplung zum Unterbrechen der Verbindung zwischen der Antriebswelle und der unteren Stabhalterung vor dem Betrieb durch vertikales Verschieben einer Kupplungshälfte relativ zur anderen lösbar ist.

An Hand der Zeichnung sei die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert:

F i g. 1 zeigt eine Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einem scheibenförmigen Kupplungsteil;

F i g. 2 zeigt eine Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einem trichterförmigen Kupplungsteil.

In der Vorrichtung nach F i g. 1 ist ein kristalliner f Stab 3, der z. B. aus Silicium bestehen kann, in einer evakuierten oder mit Schutzgas gefüllten Schmelzkammer 1 vertikal angeordnet und von einer Heizeinrichtung, z. B. einer feststehenden, flachen Schmelzspule 13 umschlossen. Das obere Ende des Stabes 3 ist in einer Halterung 2 befestigt, die sich auf einer Welle 4 befindet. Die Welle 4 kann in axialer Richtung bewegt werden. Am unteren Ende des Stabes 3 befindet sich ein einkristalliner Impfling 5, der in einer Halterung 6 befestigt ist und der mit Hilfe der Schmelzspule 13 beim ersten Schmelzzonendurchgang am Stabende angeschmolzen wurde. Die Halterung 6 ist im Mittelpunkt der oberen Flachseite der oberen Kupplungshälfte 7 einer Scheibenkupplung angebracht. Die Kupplungshälfte 7 kann beispielsweise aus Chrom-Nickel-Stahl bestehen. Auf der unteren Flachseite der Kupplungshälfte 7 befindet sich eine gestrichelt angedeutete konzentrische, ringförmige Rille 8.

Unterhalb der Kupplungshälfte 7 ist die an der Antriebswelle 9 befestigte zweite Kupplungshälfte 10 angeordnet, die z. B. aus Keramik bestehen kann. Auf der oberen Flachseite sind drei Kegelzapfen 12 angebracht, die gleichmäßig verteilt sind, d. h. die die

Ecken eines gleichseitigen Dreiecks bilden und die in die Rille 8 der Kupplungshälfte 7 einrasten können. Die Höhe der Zapfen 12 ist vorteilhaft etwas größer gewählt als die Tiefe der Rille 8. Zwei der Zapfen 12 können aus elektrisch leitendem Material, z.B. Chromnickelstahl, bestehen und elektrisch leitend mit zwei auf der Welle 9 angebrachten Schleifringen 11 verbunden sein.

Vor Beginn eines Schmelzzonendurchganges durch den Stab 3 und den an ihm angeschmolzenen Impfling 5 wird die Welle 9 axial nach unten bewegt, so daß sie Kupplungshälften 7 und 10 voneinander einen Abstand von 0,5 bis 2 mm haben. Um ein sicheres Kuppeln zu gewährleisten, wird dieser Abstand so gewählt, daß die Spitzen der Zapfen 12 noch in die Rille 8 hineinragen, ohne jedoch deren Wandungen zu berühren. Sodann wird mit Hilfe der Schmelzspule 13 der Impfling 5 aufgeschmolzen. Da der Impfling 5 an einem Ende praktisch nicht fest eingespannt ist, bleibt er während des Aufheizens frei von Wärmespannungen. Im Moment des Aufschmelzens fällt die Kupplungshälfte 7 auf die Kupplungshälfte 10, und die Zapfen 12 rasten in die Rille 8 in der Kupplungshälfte 7 ein. Da die Höhe der Zapfen 12 größer ist als die Tiefe der Rille 8, liegt die Kupplungshälfte 7 nicht unmittelbar auf der Kupplungshälfte 10 auf. Da die Zapfen 12 außerdem gleichmäßig am Umfang verteilt sind, d. h. die Ecken eines gleichseitigen Dreiecks bilden, ist die so entstandene Verbindung zwischen den Kupplungshälften 7 und 10 spielfrei.

Durch die herabfallende Kupplungshälfte 7· kann der Stromkreis einer elektrischen Steuereinrichtung oder einer elektrischen Signaleinrichtung, die z. B. über nicht dargestellte Schleifbürsten mit den Schleifringen 11 und mit zwei elektrischen leitenden Zapfen 12 verbunden ist, geschlossen werden, und die beiden Wellen 4 und 9 können unverzüglich in Umdrehung versetzt werden. Das Herabfallen der Kupplungshälfte 7 kann auch durch ein Schauglas 14 in der Schmelzkammer vom Bedienungspersonal der Vorrichtung beobachtet werden, das dann die Rotation der Wellen 4 und 9 von Hand einschalten kann.

In der Vorrichtung nach F i g. 2 ist ebenfalls ein kristalliner Stab 23, der z. B. aus Silicium bestehen kann, in einer evakuierten oder mit Schutzgas gefüllten Schmelzkammer 21 vertikal angeordnet und von einer feststehenden, flachen Schmelzspule 33 umschlossen. Das obere Ende des Stabes 23 ist in einer nicht dargestellten Halterung befestigt, die an einer nicht sichtbaren Welle befestigt ist. Diese Welle kann in axialer Richtung bewegt werden. Am unteren Ende des Stabes 23 befindet sich ein einkristalliner Impfling 25, der in einer Halterung 26 befestigt ist und der beim ersten Schmelzzonendurchgang mit Hilfe der Schmelzspule 33 am Stabende angeschmolzen wurde. Die Halterung 26 ist an der oberen Kupplungshälfte 27 einer als Reibungskupplung mit kegelmantelförmigen Reibflächen ausgebildeten Kupplung, z. B. aus Chromnickelstahl, angebracht. Die untere Kupplungshälfte 30 ist an einer auch in axialer Richtung bewegbaren Antriebswelle 29 befestigt.

Vor Beginn eines Schmelzzonendurchganges durch den Stab 23 mit dem angeschmolzenen Impfling 25 wird auch in der Vorrichtung nach Fig. 2 die Antriebswelle 29 axial nach unten bewegt, so daß die Kupplungshälften 27 und 30 voneinander einen Abstand haben, der zur Gewährleistung eines sicheren Kuppeins vorteilhaft so gewählt ist, daß ein Teil der Kupplungshälfte 30 in die Kupplungshälfte 27, ohne deren Innenwandung zu berühren, hineinragt. Sodann wird mit Hilfe der Schmelzspule 33 der Impfling 25 aufgeschmolzen. Im Moment des Aufschmelzens fällt die obere Kupplungshälfte 27 auf die untere Kupplungshälfte 30 und stellt eine spielfreie Verbindung des Impfkristalls 25 mit der Antriebswelle 29 her. Dieser Vorgang kann z. B. vom Bedienungspersonal durch ein Schauglas 34 beoabachtet werden, das sofort die Rotation der Wellen 24 und 29 einschaltet. Der Fallweg der Kupplungshälfte 27 kann etwa 0,5 bis 2 mm betragen.

Durch Axialbewegung lösbare Kupplungen nach Fig.] und 2 können mit Vorteil auch in Zonenschmelzvorrichtungen verwendet werden, in denen der kristalline Stab feststehend und die Heizeinrichtung bzw. die Induktionsspule in vertikaler Richtung bewegbar angeordnet sind. Allerdings muß dann die Antriebswelle, mit der die Kupplung eine Verbindung herstellen soll, in axialer Richtung bewegbar sein, so daß eine Fallbewegung der oberen Kupplungshälfte im Moment des Aufschmelzens des Impflings ermöglicht werden kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes, insbesondere aus Halbleitermaterial, mit zwei vertikal übereinander angeordneten Stabhalterungen sowie mit einer Antriebswelle, die über eine zwei übereinander befindliche Kupplungshälften aufweisende Kupplung mit der unteren Stabhalterung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Kupplungshälfte mit der unteren Stabhalterung in vertikaler Richtung beweglich ist und daß die Kupplung zum Unterbrechen der Verbindung zwischen der Antriebswelle und der unteren Stabhalterung vor dem Betrieb durch vertikales Verschieben einer Kupplungshälfte relativ zur anderen lösbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung mit einer elektrischen Steuerkontakteinrichtung versehen ist.

-3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung als Scheibenkupplung mit einer ringförmigen Rille in der einen Kupplungshälfte, der drei am Umfang gleichmäßig verteilte Kegelzapfen in der anderen Kupplungshälfte gegenüberstehen, ausgeführt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3. dadurch gekennzeichnet, daß zwei der Kegelzapfen als Kontakte ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung als Reibungskupplung mit kegelmantelförmigen Reibflächen ausgebildet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen