DE1519872C - - Google Patents
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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 Impf-'
ling, 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 nicht1 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, ν 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 Wärmespannurigen 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 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:
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einem scheibenförmigen Kupplungsteil;
Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung gemäß der Erfindung
mit einem trichterförmigen Kupplungsteil.
In der Vorrichtung nach Fig. 1 ist ein kristalliner 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.
In der Vorrichtung nach Fig. 1 ist ein kristalliner 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 Fig. 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. Die.ser 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. 1 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 Fallbewegiing der oberen Kupplungshälfte im Moment des Aufschmelzens des Impflings ermöglicht
werden kann.
Claims (5)
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
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