DE1615429A1 - Induktionsheizspule zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Staeben aus Halbleitermaterial - Google Patents

Description

• Indukti®nsheiz pule zum tiogolfreien ZonenoaknGlson von

  Stäben aus Halbleitermaterial

  Die Erfindung betrifft eise @gduktß.cnheiop@le aPlo elektrisch.

  gut leitendem Material zum tiegelfreien Z®nenochGelsog vca

  Stäben aus Halbleitermaterial mit eineue gr@boggig@gb@@ug

  auf mindestens einen Teil dogpulegcbe@fh@he o

  Es ist bereits ein @gd$i®g@hei@l@e@.t i'iliv Gino

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  bzw. - reinisv®rriohtung bekannt g die aus oinor Wicklung

  aus einem elektriaeh leitenden Grundmaterial besteht. Auf die

  Wicklung bzw. auf einen Teil ihrer Oberfläche ist eine grobkörnige

  Abscheiduaus einem el.oktrisch leitenden Metall aufgebra*ht.

  Um ein besseres Haften der grobkörnigen Absehoidung zn'gewähr®

  leisten' _

  wird diese von einer feinkörnigen bietallabscheidung überlagert.
• 'Für die grobkörnige Abscheidung wird in der Regel elementares Silber .verwendet. Daneben kann auch Kupfer oder Gold abgeschieden werden. Das Abscheiden erfolgt vorzugsweise. auf galvanischem bzw. elektrolytischem Wege oder durch ein Plammensprühverfahren (vgl. deutsche Auslegeschrift 1 191 921): Nachteilig an dem bekannten Induktionsheizelement ist, daß die grobkörnige Abscheidung nur sehr schlecht auf dem Grundmaterial der Induktionsheizspule haftet. Auch durch das Überlagern einer feinkörnigen Metallabscheidung wird die Haftung nicht wesentlich -verbessert. Nachteilig ist ferner, daß als Mäterial für die Abscheidung ein Metell verwendet. wird, das etwa die, gleiche Härte besitzt wie- das Grundmaterial der Indukticnsheizspule. Damit ist der weitere Nachteil verbunden, daß beim Entfernen des sich auf der Induktionsheizspule festsetzenden Halbleitermaterials, beispielsweise Silizium oder Germanium, durch Ätzen oder Sandstrahlen, mindestens ein Teil der Absche@dungsschicht beschädigt oder gar von dem Grundmaterial abgelöst.wird. Die Lebensdauer derartiger Induktionsheizspulen ist demnach im allgemeinen sehr begrenzt. Aufgabe der vorliegenden-Erfin$ung ist es, eine Induktionsheizspule mit einem grobkörnigen Überzug zu schaffen, deren Oberflächenstruktur sich auch nach mehrmaligem Reinigen der Heizspule von I dbm abgeschiedenen Halbleitermaterial nicht ändert. Insbesondere soll auch sichergestellt sein, daß die auf der In4uktionsheizspule kondensierte Hälbleiters,#ibstanz sich innig Mit der Induktionsheizspule verbindet, -so daß weder die Schmelzzone.durch Abblättern` des Halbleitermateri als verunreinigt noch das einkristalline Aufwachsen des wiedererstarrenden Halbleiterstabes gestört wird.' Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Induktionsheizspule der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß mindestens ein Teil des Überzuges aus einem Material besteht, das härter ist als das Material der Induktionsheizspule. Mit Vorteil hat das Material des Überzuges eine Härte von mindestens 6 nach der mineralogischen Härteskala. Überzugsschichten aus derart harten Materialien haben eine hohe Verschleißfestigkeit und sind außerdem hitzebeständig. Insbesondere bleibt bei einer Reinigung der Induktionsheizspule durch Sandstrahlen oder Ätzen die Struktur des Überzuges erhalten. Damit ist eine Induktionsheizspule nach der Erfindung für zahllose Zonenschmelzdurchgänge verwendbar. .
• In Weiterbildung der Erfindung ist der Überzug aus mehreren Schichten zusammengesetzt, von denen eine erste, auf der Spulenoberfläche befindliche Schicht aus dem härteren Material besteht und eine zweite, äußerste Schicht einen Härtegrad etwa gleich demjenigen von elektrisch gutleitenden Metallen hat. Hierbei wird -für die zweite, äußerste Schicht günstigerweise ein Material verwendet, auf dem das aus der Schmelzzone verdampfende oder abspritzende und auf der gekühlten Induktionsheizspüle kondensierende-Halbleitermaterial gut haftet. Solche Materialien sind insbesondere Aluminium und Silizium. - . Weitere Einzelheiten und 'Vorteilb der Erfindung werden an einer Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung nähr erläutert. In der Zeichnung ist schematisch eine Plasmaspritzpistole zum. Aufbringen eines grobkörnigen Überzuges auf eine Flachspule zum. tiegelfreien Zonenschmelzen dargestellt: Die Verwendung einer Plasmaspritzpistole zum Aufbringen des grobkörnigen Überzuges auf die Spulenoberfläche bietet den Vorteil einer höheren Haftfestigkeit des aufgespritzten Materials gegenüber herkömmlichen Spritzverfahren. Die Plasmaspritzpistole besteht in bekannter Weise aus zwei konzentrischen Rohrteilen, dem Brennergehäuse 1 und der Elektrode 2. Das Brennergehäuse 1 verjüngt sich zum Pladmakanalringkörper 3. Die Teile 2 und 3 sind so an die Stromquelle angeschlossen, da3 die Wolframelektrode 2 die Kathode und der Plasmaringkörper 3 die Anode bildet. Der sich im Plasma-.
• kanal 4 ausbildende Plagmastrahl ist mit 5 bezeichnet Im Plasmakanalringkörper 3 ist eine Zuführung 6 für das zu versprühende Pulver, das mittels eines Trägergases, beispielsweise Edelgas, z.B. Argon, in den Plasmakanal 4 eingeführt wird, vorgesehen. Der Plasmakanalringkörper 3-ist e4enso wie.die Elektrode 2 wassergekühlt. Als Arbeitsgas, das konzentrisch zur Elektrode 2 in das Zylindrische Brennergehäuse 1 eingeführt wird (siehe Pfeile) kann ein Inertgas, beispielsweise Argon oder Stickstoff (N2) verwendet werden. Zwischen dem zylindrischen Teil des Brennergehäuses 1 und dem Plasmakanalringkörper 3 befindet sich-ein Isolierring 7. Die Induktionsheizspule 8, im vorliegenden Falle eine Flachspule mit fünf Windungen, muß während des Aufbringens des Überzuges 9 intensiv gekühlt werden (Wasserkühlung). JJm das allseitige Beschichten der Spulenoberfläche zu erleichterte, können die einzelnen Windungen, die im allgemeinen. einen Windungsabstand von 0,-2 bis etwa .3 mm haben, topfartig hochgezogen werden. Um die Haftfestigkeit des-Überzuges zu erhöhen, ist es günstig, vor dem-Spritzvorgang die Oberfläche der Induktionsheizspule aufzurauhen, beispielsweise durch Sandstrahlen oüt-1» durch Ätzen. Als Überzugsmaterialien sind Werkstoffe mit großer Härte vorgesehen. Der Härtegrad sollte mindestens bei sechs nach der Mohs'schen Härteskala liegen. Besonders geeignet sind hochschmelzende, nichtmetallische, anorganische Werkstoffe, wie Oxyde, Karbide, Boride,. Nitride oder Silikate (z.B. A1203, Zr02, S'02). Es können aber auch metallische Vierkstoffe, ;wie'sip unter dem Begriff "Hartmetalle" bekannt sind, z.B. Wolframkarbid (WC, W2 C), aufgespritzt werden. Die Korngröße des grobkörnigen Überzuges liegt günstigerweise zwischen 10 und,200 p. Besonders vorteilhaft ist das Aufbringen von Isoliermaterialien, beispielsweise Metalloxyden, insbesondere Aluminiumoxyd. Hiermit erhält man eine -zusätzliche' Isolierung zwischen den einzelnen Spulenwindungen, so daß die Gefahr von Überschlägen auch bei hohen fin dungsspannungen weitgehepd ausgeschaltet ist. Für, den Fall, daß ein Überzug aus einem-Isoliermaterial aufgebracht wird,.kann der Abstand zwischen den einzelnen Windungen verringert werden.. Dies gilt sowohl für die dargestellte Flachspule als auch für Zylinderspulen. Besonders günstig ist es, den Abstand der Windungen der Hochfrequenzspule so einzustellen, daß die- einzelnen Windungen von dem Überzug lückenlos umschlossen werden. Damit wird neben dem Isoliervermögen auch die mechanische Stabilität der Induktionsheizspule wesentlich erhöht. Die Schichtdicke des Überzuges-beträgt vielfach 0,1 bis 0,2 mm. Für den Fall, daß die einzglnen Windungen der Spule völlig in den Überzug eingebettet werden sollen, kann die Schichtdicke des Überzuges etwa 0,4 bis 0,6 mm betragen. Die Korngröße des Überzuge kann isnbesondere.durch Verändern der Pulverkorngröße des aufzuspritzenden Materials sowie der Leistung der Plasmaspritzpistole gestetirrt 'werden. Bei gegebener Pulverkorngröße wird der Überzug grogkörniger, falls die Leistung der Plasmaspritzpistole so eingestellt wird, da'. das.aufzüspritzende Pulver nicht völlig aufgeschmolzen wird. -Die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebrachten Überzüge haben den Vorteil, daß.sie wegen ihrer großen Härte auch beim Reinigen der Induktionsheiz5pule, beispielsweise durch Sandstrahlen oder durch'Ätzen, ihre vorgegebene Oberflächenstruktur nicht verändern. Damit besitzen die erfindungsgemäß beschichteten Induktion:;-heizspulen eine lange Lebensdauer. Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, als Überzug ein Material zu verwenden, das eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweist. Als solches hat sich insbesondere Aluminiumoxyd (Al 203) bewährt. Es wurde nämlich gefunden, daß das aus der Schmelzzone abdampfende oder abspritzende Halbleitermaterial bei gleicher Oberflächenstruktur desto besser auf der Spulenoberfläche haftet, je heißer diese ist.-Im allgemeinen haben die für das Zonenschmelzgn verwendeten wassergekühlten Induktionsheizspulen eine Oberflächqntemperatur von etwa 50o C. Bringt man, wie erwähnt, auf die Spulgnoberfläche einen Überzug von Aluminiumoxyd auf, so steigt die Oberflächentemperatur auf etwa 200° C. Damit ist die Gefahr, daß das auf der Spulenoberfläche kondensierte Halbleitermaterial wieder abbl4ttert, so gut wie ausgeschlossen.i. In Weiterbildung der Erfindung. ist es vorteilhaft" auf die aufgespritzte Schicht aus einem harten Material eine oder mehrere weitere Schichten aufzubringen, auf der das Halbleitermaterial gut haftet. Für das Zonenschmelzen von Silizium hat sich als Überlagerungsschicht . Aluminium sehr bewährt. Die Überlagerungsschicht kann ebenfalla-aufge-* spritzt oder auch aufgedampft werden. Mit dem Aufdampfen können besonders dünne Schichtdicken hergetellt werden. Es ist auch möglich, als " Überlagerungsschicht Silizium vorzusehen. Diese kann ebenfalls wie . eine Schicht aus hartem Material mit der Plasmaspritzpistole aufgebracht werden. Eine Oberflächenschicht aus Silizium ist besonders für den Fall günstig, daß der zu behandelnde üaibleiterstab ebenfalls aus Silizium besteht. Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele eingehender erläutert: . I. Aufbringen eines Überzuges atas Aluminiumoxyd Körnung 10 bis 30 Arbeitsgas: Stick 25 1/min stoff (N2) Trägergag: Argon 1 bis 2'1/min Spannung 72 Y Strom 300 A - Spritzabstand 80 bis 90 mm Durchmesser des Plasmakanals 5 mm Überzugsdicke 0,1 bis 0,2 mm II. xolframkarbid L . i Körnung _ 40 bis 70 . Arbeitsgas#N2 36 1/min Trägergas: Argon- 1 bis 2 1/min Spannung 75 V Strom . 260 A Spritzabstand 80 bi-s 100 mm Durchmesser des 5 mm Plasmakanals Überzugsdicke 0,1 bis 0,2 mm

Claims (5)

1. Patentansprüche 1. Induktionsheizspule aus elektrisch gutleitendem Material zum -tiegelfreien Zonenschmelzen-von Stäben aus Halbleitermaterial mit einem grobkörnigen Überzug auf mindestens einem Teil der Spulenoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daB-mindestens'ein Teil des Überzuges aus einem Material besteht, das härter ist als das Material der Induktionsheizspule. -.
2. 2. Indukticnsheizspule noch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Überzuges eine Härte von mindestens 6 nach. der mineralogischen Härteskala hat.
3. 3. Induktionsheizspule noch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus mehreren Schichten zusammengesetzt ist, von denen- eine erste, auf ;der Spulenoberfläche befindliche Schicht aus dem härteren Material besteht und eine zweite,äußerste Schicht einen Härtegrad etwa -gleich demjenigen von elektrisch - gutleitenden Metallen,hat.
4. 4. Induktionsheizspule n4eh Anspruch 1, .dadurch gekennzeichn4t, daß der Überzug aus mehreren Schichten zusammengesetzt ist, vdn denen eine erste, auf der Spuienoberfläche befindliche.Schi@ht aus dem härteren Material besteht und eine zweite,@äußerste-Schicht aus-einem Material besteht, ;auf= dem Halbleitermaterial gut haftet.
5. 5. Induktionsheizspule nach Anspruch ,1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus Isoliermaterial besteht. 6: Induktionsheizspule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, . daß der Überzug aus einem Metalloxyd besteht. 7. Induktionsheizspule nach Anspruch E, dadurch gekennzeichnet, .- daß der Überzug aus Aluminiumoxyd besteht. B. Induktionsheizapule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus Hartmetall besteht. 9. Induktionsheizspule nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug.aus einem Karbid hochschmelzender Metalle besteht. 10. Induktionsheizspule nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als äußerste Schicht Aluminium vorgesehen ist. 11. Induktionsheizspule nagh Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als äußerste Schicht. Silizium vorgesehen ist.