DE1519907C3 - Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen kristalliner Stäbe - Google Patents

Description

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(35) verstellbar sind.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Auflager (32) Kugeln dienen, die durch in der Grundplatte (28) eingesetzte Stellschrauben (33) verstellbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine obere Halterung (1) an einer auf der Halterungswelle (11) befestigten Flanschbuchse (5) hängend angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Flanschbuchse (5) eine Laufscheibe (6) mit lotrecht zur Halterungswelle (11) einstellbarer Lauffläche (21) angebracht ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge-• kennzeichnet, daß als Hängevorrichtung "(4) ein oben offener Hohlzylinder (14) dient, der sich mit einem lösbar befestigten Jnnenflansch (7) oder Teilen davon an der Flanschbuchse (5) abstützt.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenflansch (7) die Form einer Ringscheibe hat, deren Innenwand als Lauffläche für als Auflager dienende Wälzkörper (17) ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine an der oberen Halterung (1) befestigte Einspannhülse (3) an der Hängevorrichtung (4) seitlich verschiebbar und/oder kippbar angebracht ist.

kurz ist, wodurch bei vorgegebenem Abstand der Enden der beiden Halterungswellen die effektiv nutzbare Ziehlänge des kristallinen Stabes vergrößert wird. Erfindungsgemäß wird dies bei einer Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen kristalliner Stäbe der eingangs erwähnten Art dadurch erreicht, daß die Halterung gegen radiale Verschiebung einerseits und gegen Winkelabweichungen gegenüber der Halterungswelle andererseits durch getrennte Führungseinrichtungen gesichert ist. Durch die Auftrennung der Sicherung der Halterung gegen Verschieben in radialer Richtung und gegen Winkelabweichungen gegenüber der Halterungswelle kann erreicht werden, daß bei praktisch unverrückbarem Sitz in zur Stabachse radialer Richtung der den Stab umfassende Teil der Halterung in einer zur Stabachse parallelen Richtung frei beweglich ist. Die Führungseinrichtungen können so aneinander angepaßt werden, daß die freie Beweglichkeit des den Stab umfassenden Teiles der Halterung auch bei unterschiedlicher Erwärmung der einzelnen Halterungsteile gesichert ist. Mit Vorteil ist die Halterung gegen radiale Verschiebung durch einen zentralen Bolzen und gegen Winkelabweichungen durch einstellbare Auflager, die in einer zur Halterungswelle senkrechten Ebene liegen, gesichert. Die Führungsbolzen und die verstellbaren Auflager kön-

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen kristalliner Stäbe mit einer am Ende einer senkrechten Halterungswelle lösbar angebrachten Halterung, in der der Stab in senkrechter Lage und koaxial zur Halterungswelle einsetzbar ist. ' Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art wird der nen so angeordnet werden, daß der freibewegliche Teil der oberen Stabhalterung in Ausdehnungsrichtung und der freibewegliche Teil der unteren Stabhalterung in Erstarrungsrichtung des kristallinen Stabes nachgiebig ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die obere Halterung für einen kristallinen Stab gemäß der Erfindung, Fig. 2 einen Längsschnitt durch die untere Halte-

rang für einen kristallinen Stab gemäß der Erfindung.

Die obere Halterung 1 für einen kristallinen Stab 2 setzt sich aus einer Einspannhülse 3, einer Hängevorrichtung 4 mit einem Innenflansch 7, einer Flanschbuchse 5 und einer Lauf scheibe 6 zusammen. Der kristalline Stab 2, vorzugsweise ein Siliciumstab, ist in an sich bekannter Weise in der Einspannhülse 3 mittels mehrerer in zwei verschiedenen Ebenen an der Einspannhülse 3 angebrachter Befestigungselemente, beispielsweise Schrauben 8 und 9, gehaltert. Die Einspannlänge des kristallinen Stabes 2 ist vergleichsweise kurz. Der Abstand A der beiden Einspannebenen kann beispielsweise 2 cm betragen. Die Flanschbuchse 5 ist mit einem Spannbacken 10 an der Halterungswelle 11 befestigt. Die Halterungswelle 11 kann in Umdrehung versetzt und in Richtung der Stabachse S axial verschoben werden. Der in der Einspannhülse 3 gehalterte kristalline Stab 2 ist an der Flanschbuchse 5 hängend angeordnet. Als Hängevorrichtung 4 ist ein an seiner Deckfläche 13 offener Hohlzylinder 14 vorgesehen, der sich mit einem lösbar befestigten Innenflansch 7 oder Teilen davon an der Flanschbuchse 5 abstützt. Falls die Halterungswelle 11 nicht in Umdrehung versetzt werden soll, kann sich die Hängevorrichtung 4 beispielsweise mit drei krallenartig ausgebildeten Flanschteilen an der Flanschbuchse 5 abstützen. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Innenflansch 7 als Ringscheibe ausgebildet, deren Innenwand 16 als Lauffläche für als Auflager für die Halterung 1 dienende Wälzkörper, beispielsweise Kugeln 17, vorgesehen ist. Die Kugeln 17 sind in einer weiteren Ringscheibe 18 geführt, die bei freilaufender Halterungswelle 11 als Dämpfungsteil dient. Die axialen Abmessungen des Hohlzylinders 14 sind so gewählt, daß sich im Falle einer Ausdehnung des kristallinen Stabes 2 der Innenflansch 7 .von den Kugeln 17 abheben kann, d.h., daß die Halterung 1 mit Ausnahme der Teile 5, 6, 17, 18 in der Ausdehnungsrichtung des kristallinen Stabes 2 frei beweglich ist. Die Laufscheibe 6 kann mittels Zugschrauben 19 und Druckschrauben 20 mit ihrer Lauffläche 21 lotrecht zur Halterungswelle 11 eingestellt werden. Zur Sicherung gegen radiale Verschiebung der Halterung 1 ist in den Boden 23 des Hohlzylinders 14 ein zentraler Bolzen 22 eingelassen, der in einer Bohrung 12 der Flanschbuchse 5 geführt ist. Die Einspannhülse 3 ist mit einer Abdeckplatte 24 versehen, die sich mit einem Zapfen 25 am Boden 23 des Hohlzylinders 14 abstützt. Die Abdeckplatte 24 ist mittels der Stellschrauben 26 um den Zapfen 25 kippbar. Langlochartige Bohrungen 15, durch die die Stellschrauben 26 hindurchgeführt sind, ermöglichen auch eine seitliche Verschiebung der Abdeckplatte 24. Damit können Ungenauigkeiten bei der Einspannung des kristallinen Stabes 2 ausgeglichen werden, insbesondere dann, wenn das Einspannteil des kristallinen Stabes 2 nicht mit der Stabachse fluchtet.

Die untere Stabhalterung 27 setzt sich aus einer Grundplatte 28, einer Bodenplatte 29 und einer Einspannhülse 30 zusammen. Die Bodenplatte 29 und damit die Einspannhülse 30 mit dem kristallinen Stab 2 bzw. einem Keimkristall 31 liegt durch ihr Eigengewicht auf verstellbaren Auflagern 32 auf. Die Auflager 32 sind günstigerweise als Kugeln ausgebildet, so daß man eine punktförmige Auflagefläche erhält. Die Auflager 32 sind mittels in der Grundplatte 28 geführter Stellschrauben 33 verstellbar. Mit Vorteil sind drei Stellschrauben 33 am Umfang der Grundplatte 28 angeordnet.

Ein in die Bodenplatte 29 eingelassener Stift 34 sichert die untere Halterung 27 gegen radiale Verschiebung. Die Halterungswelle 35 ist ebenso wie die Halterungswelle 11 in Umdrehung versetzbar und sie kann auch in Richtung der Stabachse S bewegt werden. An der Einspannhülse 30 sind wiederum in zwei verschiedenen Ebenen Befestigungsteile, beispielsweise Schrauben 37 und 38, angebracht, die den

ίο Keimkristall 31 in der Einspannhülse 30 festhalten. Der Abstand B der beiden Einspannebenen kann etwa 2 bis 4 cm betragen und ist günstigerweise kleiner oder höchstens gleich groß wie der radiale Abstand der Auflager 32 von der Stabachse S. Die Bodenplatte

29 kann als Wanne mit einem umlaufenden Rand 39 ausgebildet sein. Damit bildet die Bodenplatte 29 einen wirksamen Schutz für die vakuumdichten Durchführungen in der Zonenschmelzkammer, beispielsweise gegen aus der Schmelzzone abtropfendes

ao Halbleitermaterial. Durch die Stellschrauben 33 kann die Auflagefläche der Bodenplatte 29 lotrecht zur Achse der Halterungswelle 35 ausgerichtet werden. Es ist ersichtlich, daß man Einzelheiten der dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele abas ändern kann, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. Es kann beispielsweise der radiale Abstand der Auflager 17 und 32 von der Stabachse S, der insbesondere bei der unteren Stabhalterung 27 etwa ein Viertel der Länge des kristallinen Stabes 2 betragen kann, weit über diese Relation hinaus vergrößert werden. Eine derartige Vergrößerung des Lagerabstandes erfordert zwar auch eine größere Grundplatte 28 und Bodenplatte 29, bringt aber den Vorteil mit sich, daß die vakuumdichten Durchführungen im Boden der Schmelzkammer nicht nur - wie bereits erwähnt - gegen abspritzendes Material aus der Schmelzzone, sondern bei Behandlungsverfahren unter Vakuum auch weitgehend vor Dampfabscheidungen jeglicher Art geschützt sind. Wichtig ist auch, daß sämtliche Laufflächen bzw. Auflageflächen beider Halterungen vor einem Niederschlag von aus der Schmelzzone abgeschiedenen Stoffen weitgehend geschützt sind. Von Bedeutung ist ferner, daß der Wärmeübergang vom kristallinen Stab 2 auf die Halterungswellen 11 und 35 sehr erschwert ist, da die mit dem Stab in Verbindung stehenden »heißen« Teile der Halterung mit den »kalten« Teilen der Halterung jeweils nur durch eine Dreipunktauflage und durch die Führungsstifte 22, 34 miteinander in Berührung stehen. Damit kann vielfach auf eine Flüssigkeitskühlung der Halterungswellen 11, 35 verzichtet werden. Außerdem ist es von Vorteil, daß die Führungseinrichtungen gegen radiale Verschiebung — die Führungsbolzen 22, 34 — sehr dünn sind (2 bis 3 mm), so daß sie sich beim Erwärmen nur wenig ausdehnen. Ein Verklemmen in der jeweiligen Führungsbuchse ist damit praktisch ausgeschlossen. Da die Auflager 17,32 einstellbar sind und damit die zur Halterungswelle 1,35 lotrechte Lage der Auflageflächen der Bodenplatte 29 bzw. des Innenflansches 7 unabhängig von der Genauigkeit der Bearbeitung der Halterungswellen 11, 35 bzw. der als Widerlager dienenden Teile 6 und 28 hergestellt werden können, kann die Einspannlänge der Halterungswellen 11, 35 sehr kurz, beispielsweise 1 bis 2 cm, gehalten sein. Damit ist ein weiterer Gewinn an effektiver Ziehlänge für den kristallinen Stab 2 gegeben. Die Halterungswelle 35 ist über Schrauben 40 mit der Grundplatte 28 verbunden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen kristalliner Stäbe mit einer am Ende einer senkrechten Halterungswelle lösbar angebrachten Halterung, in der der Stab in senkrechter Lage und koaxial zur Halterungswelle einsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (1,27) gegen radiale Verschiebung einerseits und gegen Winkelabweichungen gegenüber der Halterungswelle (11, 35) andererseits durch getrennte Führungseinrichtungen (22, 34 und 17, 32) gesichert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung gegen radiale Verschiebung durch einen zentralen Bolzen (22, 34) und gegen Winkelabweichungen durch einstellbare Auflager (17, 32), die in einer zur Halterungswelle (11,35) senkrechten Ebene liegen, gekristalline Stab an seinen beiden Enden in je eine Halterung eingespannt. Zur Befestigung des Stabes in der Halterung dienen im allgemeinen mehrere in zwei zur Stabachse senkrechten Ebenen an der Halterung angebrachte Befestigungselemente, beispielsweise Schrauben, Klemmbacken oder schwenkbare Hebel. Da der Stab somit starr in den Halterungen befestigt ist, müssen die beim Erwärmen bis zum Erreichen der flüssigen Schmelzzone und die beim Abkühlen nach dem Erstarren der flüssigen Schmelzzone auftretenden Wärmespannungen von diesem aufgenommen werden. Wie vielfach festgestellt wurde, wirken sich diese Wärmespannungen schädlich auf die Kristallstruktur eines kristallinen Stabes, vorzugsweise eines Halbleiterstabes, aus. Häufig führen die Wärmespannungen dazu, daß der an das eine Stabende angeschmolzene Keimkristall beim Abkühlen abreißt und damit zumindest ein Teil des kristallinen Stabes unbrauchbar wird. Andererseits kann es auch vorkommen, daß, beispielsweise beim Durchfahren einer Glühzone durch den kristallinen Stab, die hierbei auftretenden Wärmespannungen so groß sind, daß der Stab auseinanderbricht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine

sichert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einer unteren Halterung (27) eine Bodenplatte (29) befestigt ist, die mit

einer ebenen Fläche auf drei kugeligen Auflagern 25 Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen kri-(32) ruht, die mit der Halterungswelle (35) ver- stalliner Stäbe zu schaffen, bei der die erwähnten bunden sind. Schwierigkeiten nicht mehr auftreten. Außerdem sol-

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- len die in der Vorrichtung angebrachten Halterungen kennzeichnet, daß die Auflager (32) in einer an so ausgebildet sein, daß die für einen festen Sitz des der Halterungswelle (35) befestigten Grundplatte 30 kristallinen Stabes einerseits und der Halterungswelle '(28) geführt und in Richtung der Halterungswelle andererseits erforderliche Einspannlänge möglichst