DE1913881B2 - Device for crucible-free zone melting - Google Patents
Device for crucible-free zone meltingInfo
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Description
1 21 2
Vorrichtungen zum tiegelfreien Zonenschmelzen tung zum tiegelfreien Zonenschmelzen ähnlich wieDevices for crucible-free zone melting device for crucible-free zone melting similar to
eines kristallinen Stabes weisen vielfach in der in F i g. 2 a, jedoch mit einer anderen Schaltung desof a crystalline rod often show in the form shown in FIG. 2 a, but with a different circuit of the
Schmelzkammer neben Halterungen für die Stab- Symmetriergliedes.Melting chamber next to brackets for the rod balun.
enden eine Induktionsheizspule zum Beheizen der Die Fig. 1 zeigt Ausschnitte aus der metallenenends an induction heating coil for heating the Fig. 1 shows details of the metal
Schmelzzone auf. Durch eine Relativbewegung zwi- 5 Wandung 101 der Schmelzkammer einer VorrichtungMelting zone. By a relative movement between the wall 101 of the melting chamber of a device
sehen den Stabhalterungen einerseits und der Induk- zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinensee the rod holders on the one hand and the induction for crucible-free zone melting of a crystalline
tionsheizspule andererseits wird diese Schmelzzone Stabes. In dieser Wandung befinden sich Durchfüh-tion heating coil on the other hand, this melting zone is rod. In this wall there are bushings
durch den kristallinen Stab bewegt. Die Induktions- rangen 102, in denen metallene Wellen 103 mitmoved by the crystalline rod. The induction rings 102, in which metal shafts 103 with
heizspule kann z. B. eine mehrwindige Zylinderspule metallenen Stabhalterungen 104 angeordnet sind. Dieheating coil can z. B. a multi-turn solenoid metal rod holders 104 are arranged. the
sein. Häufig ist die Induktionsheizspule auch eine io Durchführungen 102 sind mit einer Simmeringdich-be. Often the induction heating coil is also an io bushings 102 are with a Simmeringdich-
einwindige Spule. Diese Induktionsheizspule wird tung 105 gasdicht abgedichtet. Die Wellen 103 undsingle-turn coil. This induction heating coil is device 105 sealed gas-tight. The waves 103 and
mit hochfrequentem Wechselstrom aus einem Hoch- damit die Stabhalterungen 104 können um die WeI-with high-frequency alternating current from a high- so that the rod holders 104 can
frequenzgenerator gespeist. lenachse gedreht und gegebenenfalls auch in axialerfrequency generator powered. lenachse rotated and possibly also in the axial
Die Schmelzkammer kann weitgehend evakuiert Richtung verschoben werden. In den Stabhalterun-The melting chamber can largely be moved in the evacuated direction. In the rod holder
sein, sie kann aber auch mit einem Schutzgas ge- 15 gen 104 ist jeweils ein Ende eines kristallinen Stabesbut it can also be protected with a protective gas. 104 is one end of a crystalline rod
füllt sein. Als Schutzgasfüllung wurde bereits hoch- 106, z. B. eines Stabes aus Germanium oder Silicium,be full. As a protective gas filling, high-106, z. B. a rod made of germanium or silicon,
reiner Wasserstoff vorgeschlagen, in dem stabför- befestigt. Mit Hilfe einer Induktionsheizspule 107,pure hydrogen proposed to be attached to the rod. With the help of an induction heating coil 107,
mige Einkristalle mit besonders guter Kristallqualität die im vorliegenden Fall eine einwindige Spule ist,moderate single crystals with particularly good crystal quality which in the present case is a single-turn coil,
durch tiegelfreies Zonenschmelzen gewonnen wer- jedoch z. B. auch eine mehrwindige Zylinderspulehowever, z. B. also a multi-turn solenoid
den können. 20 sein kann, wird im Stab 106 eine Schmelzzone 108the can. 20, a melting zone 108 becomes in the rod 106
Insbesondere einwindige Spulen und Zylinderspu- erzeugt und durch eine Relativbewegung zwischen
len neigen beim tiegelfreien Zonenschmelzen zu elek- dem Stab 106 und der Induktionsheizspule 107 durch
trischen Überschlägen. Diese Überschläge können den Stab 106 hindurchbewegt. Die nicht vollständig
sich schädlich auf die Kristallqualität des durch das dargestellte Schmelzkammer kann z. B. mit hochtiegelfreie
Zonenschmelzen gewonnenen kristallinen 25 reinem Wasserstoff gefüllt sein.
Stabes auswirken. Die Gefahr von Überschlägen ist Parallel zur Induktionsheizspule 107 sind Kondenin
einer mit Schutzgas gefüllten Schmelzkammer satoren 115 geschaltet. Die Induktionsheizspule 107
und/oder bei mit hoher Leistung betriebenen Spulen und die Kondensatoren 115 bilden den Heizkreis,
besonders groß. Der Erfindung liegt daher die Auf- das ist ein Schwingkreis, welcher über eine Koaxialgabe
zugrunde, derartige Überschläge zu verhindern. 30 leitung 109 mit elektrischer Energie aus dem Hoch-In particular, single-turn coils and cylinder coils are generated and, as a result of a relative movement between cells, tend towards the electrical rod 106 and the induction heating coil 107 due to tric flashovers in the case of crucible-free zone melting. These rollover can move the rod 106 therethrough. The not completely detrimental to the crystal quality of the melting chamber shown can, for. B. be filled with crystalline pure hydrogen obtained with crucible-free zone melting.
Impact rod. The risk of flashovers is parallel to the induction heating coil 107, condensers 115 are connected in a melting chamber filled with protective gas. The induction heating coil 107 and / or in the case of coils operated with high power and the capacitors 115 form the heating circuit, which is particularly large. The invention is therefore based on an oscillating circuit which, via a coaxial function, is based on preventing such flashovers. 30 line 109 with electrical energy from the high
Die Erfindung betrifft demgemäß eine Vorrich- frequenzgenerator 110 gespeist wird. Die Koaxial-The invention accordingly relates to a device frequency generator 110 which is fed. The coaxial
tung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristal- leitung 109 und damit der aus der Induktionsheiz-device for crucible-free zone melting of a crystal line 109 and thus that from the induction heating
linen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes mit einer spule 107 und den Kondensatoren 108 bestehendeLinen rod, in particular semiconductor rod with a coil 107 and the capacitors 108 existing
Schmelzkammer, in der Halterungen für die Stab- Heizkreis sind über eine Koppelspule 112 an dieMelting chamber in which the holders for the rod heating circuit are connected to the via a coupling coil 112
enden angeordnet sind, und einer den Stab umgeben- 35 Schwingspule 111 des Tankkreises im Hochfrequenz-ends are arranged, and one surrounding the rod- 35 voice coil 111 of the tank circuit in the high-frequency
den Induktionsheizspule, insbesondere einer einwin- generator 110 angekoppelt.coupled to the induction heating coil, in particular a single-win generator 110.
digen Spule oder einer mehrwindigen Zylinderspule, Der mittlere Windungsteil 113 der einwindigen zum Beheizen der Schmelzzone. Diese Vorrich- Induktionsheizspule 107 bzw. die mittlere Windung tung ist zur Lösung der der Erfindung zugrunde bei einer zylinderförmigen Induktionsheizspule ist liegenden Aufgabe dadurch gekennzeichnet, daß der 40 mit der Wand 101 der Schmelzkammer über eine mittlere Windungsteil bzw. die mittlere Windung der elektrische Leitung 114 verbunden. Sowohl die Stab-Induktionsheizspule und der kristalline Stab wäh- halterungen 104 und damit der Stab 106 als auch der rend des Schmelzzonendurchgangs auf gleichem elek- mittlere Windungsteil 113 der Induktionsheizspule irischem Potential geschaltet sind. 107 haben dasselbe Potential, da die Wellen 103 undend coil or a multi-turn solenoid, the middle turn part 113 of the single-turn for heating the melting zone. This device induction heating coil 107 or the middle turn device is to solve the invention is based on a cylindrical induction heating coil lying task characterized in that the 40 with the wall 101 of the melting chamber via a middle turn part or the middle turn of the electrical line 114 connected. Both the rod induction heating coil and the crystalline rod holder 104 and thus the rod 106 as well as the end of the melt zone passage on the same electrical middle turn part 113 of the induction heating coil Irish potential are switched. 107 have the same potential as waves 103 and
In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens 45 die Wandung 101 der Schmelzkammer geerdet sind,In a further development of the inventive idea 45, the wall 101 of the melting chamber are grounded,
ist vorgesehen, daß der mittlere Windungsteil bzw. Dadurch ist die maximale Potentialdifferenz zwi-it is provided that the middle part of the turn or, as a result, the maximum potential difference between
die mittlere Windung der Induktionsheizspule und sehen der Induktionsheizspule 107 und dem kristal-the middle turn of the induction heating coil and see the induction heating coil 107 and the crystal
mindestens eine der Stabhalterungen elektrisch lei- linen Stab 106 nur halb so groß, als sie es wäre, wennat least one of the rod holders electrically conductive rod 106 only half as large as it would be if
tend miteinander verbunden sind. Auch kann par- der mittlere Windungsteil 113 der Induktionsheiz-tend to be related to each other. Also, the middle turn part 113 of the induction heating
allel zur Induktionsheizspule ein elektrisches Sym- 50 spule 107 nicht mit der Schmelzkammerwand 113Allel to the induction heating coil, there is an electrical sym- 50 coil 107 not with the melting chamber wall 113
metrierglied geschaltet sein, dessen Mittelpunkts- elektrisch leitend verbunden wäre und daher nichtbe switched, whose midpoint would be electrically conductively connected and therefore not
anzapfung mit mindestens einer Stabhalterung elek- dasselbe Potential wie der Stab 106 hätte. Dahertapping with at least one rod holder would have the same potential as the rod 106. Therefore
trisch leitend verbunden ist. treten in der Vorrichtung nach F i g. 1 keine Über-trisch conductively connected. occur in the device according to FIG. 1 no over-
Die Erfindung und ihre Vorteile seien an Hand schlage auf. Die Schaltung der InduktionsheizspuleThe invention and its advantages are suggested by hand. The circuit of the induction heating coil
der Zeichnung näher erläutert. 55 nach F i g. 1 ist besonders vorteilhaft, wenn diethe drawing explained in more detail. 55 according to FIG. 1 is particularly beneficial when the
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Einrich- Induktionsheizspule feststehend in der Schmelzkam-Fig. 1 shows a section of a Einrich induction heating coil fixed in the melting chamber
tung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristal- merwand angeordnet ist und der dem Zonenschmelz-device for crucible-free zone melting of a crystal wall is arranged and the zone melting
linen Stabes mit einer Induktionsheizspule und einem prozeß zu unterwerfende Stab relativ zur Spule undlinen rod with an induction heating coil and a process to be subjected to rod relative to the coil and
Hochfrequenzgenerator zum Speisen dieser Induk- zur Schmelzkammer in axialer Richtung bewegtHigh-frequency generator for feeding this induction to the melting chamber moved in the axial direction
tionsheizspule; 60 wird.tion heating coil; 60 turns.
F i g. 2 a zeigt einen Ausschnitt aus einer Vorrich- Der in F i g. 2 a dargestellte Ausschnitt aus einerF i g. 2 a shows a section from a device in FIG. 2 a shown section from a
tung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristal- Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen ent-device for crucible-free zone melting of a crystal device for crucible-free zone melting
linen Stabes ähnlich wie in Fig. 1, jedoch mit einem spricht dem in Fig. 1 dargestellten Ausschnitt. Glei-line similar to Fig. 1, but with one speaks the section shown in Fig. 1. Sliding
parallel zur Induktionsheizspule geschalteten elektri- ehe Teile haben gleiche Bezugszeichen. Der mittlereElectrical parts connected in parallel to the induction heating coil have the same reference numerals. The middle one
sehen Symmetrierglied; 65 Windungsteil 113 der Induktionsheizspule 107 istsee balun; 65 turn part 113 of the induction heating coil 107 is
Fig. 2b bis 2d zeigen andere Ausführungsformen jedoch nicht wie in Fig. 1 durch einen mit der2b to 2d, however, do not show other embodiments as in FIG. 1 by one with the
des elektrischen Symmetriergliedes; Schmelzkammerwand verbundenen elektrischen Lei-the electrical balun; Electrical line connected to the melting chamber wall
F i g. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer Vorrich- ter auf dem Potential der Halterungen 104 und damitF i g. 3 shows a section from a device at the potential of the holders 104 and thus
des Halbleiterstabes 106 gehalten, sondern durch ein elektrisches Symmetrierglied, dessen Mittelpunktsanzapfung durch einen elektrischen Leiter 116 mit der Schmelzkammerwand 101 verbunden ist. Da die Schmelzkammerwand 101 und die Halterungen 104 geerdet sind, haben die Mittelpunktsanzapfung und der kristalline Stab 106 dasselbe Potential. Das Symmetrierglied besteht in Fig. 2a aus drei Gruppen 117 bis 119, jeweils bestehend aus zwei in Serie geschalteten Kondensatoren. Diese Gruppen 117 bis 119 sind parallel zur Indüktionsheizspule 107 geschaltet. Die Kapazität der Kondensatoren in einer Gruppe ist etwa gleich groß. Die Mittelanzapfung dieser Kapazitätsteilerschaltung besteht aus einem elektrischen Leiter 120, durch welchen die Verbindungsleitungen der einzelnen Kondensatoren in jeder Gruppe elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Die Mittelanzapfung 120 ist durch einen elektrischen Leiter 116 mit der Schmelzkammerwandung 101 elektrisch leitend verbunden. Eine Kapazitätsteilerschaltung als Symmetrierglied entsprechend Fig. 2a hat den Vorteil, daß die Kondensatorgruppen 117 bis 119 zugleich als Schwingkreiskondensatoren für den Heizkreis mit der Induktionsheizspule 107 dienen.of the semiconductor rod 106 held, but by an electrical balun whose center tap through an electrical conductor 116 with the melting chamber wall 101 is connected. Since the melting chamber wall 101 and the brackets 104 are grounded, the center tap and crystalline rod 106 have the same potential. The balun consists in Fig. 2a of three groups 117 to 119, each consisting of two in series switched capacitors. These groups 117 to 119 are connected in parallel to the induction heating coil 107. The capacitance of the capacitors in a group is about the same. The center tap this capacitance divider circuit consists of an electrical conductor 120 through which the connecting lines of the individual capacitors in each group are connected to one another in an electrically conductive manner are. The center tap 120 is connected to the melting chamber wall by an electrical conductor 116 101 electrically connected. A capacitance divider circuit as a balun accordingly Fig. 2a has the advantage that the capacitor groups 117 to 119 at the same time as resonant circuit capacitors for the heating circuit with the induction heating coil 107 serve.
F i g. 2 b zeigt eine weitere kapazitive Teilerschaltung, welche als elektrisches Symmetrierglied in einer Vorrichtung nach Fig. 2a dienen kann. Neben zwei parallel zur Induktionsheizspule 107 geschalteten Heizkreiskondensatoren 121 und 122 ist eine ebenfalls parallel zur Induktionsheizspule 107 geschaltete Gruppe 123, bestehend aus zwei in Serie geschalteten Kondensatoren 124 und 125 gleicher Kapazität, als elektrisches Symmetrierglied vorgesehen. Die Mittelanzapfung 126 dieses Symmetriergliedes ist die Verbindungsleitung zwischen den Kondensatoren 124 und 125. Diese Mittelanzapfung ist durch einen elektrischen Leiter 116 mit der Wandung der geerdeten Schmelzkammer elektrisch leitend verbunden.F i g. 2 b shows another capacitive divider circuit, which as an electrical balun in a Device according to Fig. 2a can serve. In addition to two connected in parallel to the induction heating coil 107 Heating circuit capacitors 121 and 122 is one as well Group 123 connected in parallel to induction heating coil 107, consisting of two connected in series Capacitors 124 and 125 of the same capacity, provided as an electrical balun. The center tap 126 of this balun is the connecting line between the capacitors 124 and 125. This center tap is grounded by an electrical conductor 116 to the wall of the Melting chamber connected in an electrically conductive manner.
Fig. 2c zeigt als Symmetrierglied eine induktive Teilerschaltung. Parallel zu dem aus der Induktionsheizspule 107 und den Kondensatoren 127 bestehenden Heizkreis ist eine Spule 128 mit großer Induktivität verglichen mit der Induktivität der Induktionsheizspule 107 geschaltet. Vorzugsweise ist die Induk- tivität der Spule 128 etwa um den Faktor 10 größer als die der Induktionsheizspule 107. Dadurch wird die Verlustleistung in der Spule 128 klein gehalten. Die Spule 128 weist eine Mittelanzapfung 129 auf, welche über einen elektrischen Leiter 116 mit der geerdeten Schmelzkammerwandung elektrisch leitend verbunden ist.Fig. 2c shows an inductive divider circuit as a balun. In parallel with the one consisting of the induction heating coil 107 and the capacitors 127 A coil 128 with a high inductance compared to the inductance of the induction heating coil 107 is connected to the heating circuit. Preferably the induction Activity of the coil 128 is about a factor of 10 greater than that of the induction heating coil 107. This is the power loss in the coil 128 is kept small. The coil 128 has a center tap 129, which is electrically conductive via an electrical conductor 116 to the grounded melting chamber wall connected is.
Eine weitere induktive Teilerschaltung zeigt die F i g. 2 d. Der Heizkreis besteht aus der Induktionsheizspule 107 und den zu dieser Induktionsheizspule 107 parallel geschalteten Kondensatoren 131. Die mittlere Windung bzw. der mittlere Windungsteil der als Symmetrierglied dienenden Kopplungsspule 112 ist mittels eines elektrischen Leiters 116 mit der geerdeten Wandung der Schmelzkammer elektrisch leitend verbunden.Another inductive divider circuit is shown in FIG. 2 d. The heating circuit consists of the induction heating coil 107 and the induction heating coil for this 107 capacitors 131 connected in parallel. The middle turn or the middle part of the turn serving as a balun coupling coil 112 is by means of an electrical conductor 116 with the grounded wall of the melting chamber electrically connected.
Die Schaltungen nach den F i g. 2 a bis 2 c und insbesondere die induktive Teilerschaltung nach F i g. 2 d sind besonders günstig für Zonenschmelzvorrichtungen mit bewegter Spule, da hier keine mit der Schmelzkammerwandung verbundene Stromzuführung zur Induktionsheizspule erforderlich ist. Aus konstruktiven Gründen kann es vorteilhaft sein, wenn die WellenThe circuits according to FIGS. 2 a to 2 c and in particular the inductive divider circuit according to FIG. 2 d are particularly favorable for zone melting devices with a moving coil, since none with the melting chamber wall connected power supply to the induction heating coil is required. From constructive Reasons it can be beneficial when the waves
103 mit den Stabhalterungen 104 und damit auch der zonenzuschmelzende Stab 106 gegen die Wandung der Schmelzkammer und damit auch gegen Erde isoliert sind. In diesem Fall kann z. B. ein Teilleiter der von der Koppelspule zum Heizkreis führenden Koaxialleitung geerdet sein. F i g. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen, in der dies der Fall ist. Gleiche Teile haben auch in F i g. 3 die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 bzw. wie in Fig. 2b. Die Wellen 103 sind mit Isolierstücken 132 versehen, welche die Halterungen 104 gegen die Schmelzkammerwandung 101 isolieren. In Fig. 3 ist eine kapazitive Teilerschaltung entsprechend Fig. 2b als Symmetrierglied dargestellt, jedoch können auch die Teilerschaltungen entsprechend den Fig. 2a, 2c und 2 d verwendet werden. Die Mittelanzapfung 126 des elektrischen Symmetriergliedes in der Vorrichtung nach F i g. 3 ist mittels eines elektrischen Leiters 116 mit einer Kontaktzunge 133 elektrisch leitend verbunden. Die Kontaktzunge 133 stellt einen elektrischen Kontakt mit der Welle 103 zwischen dem unteren Isolierstück 132 und der unteren Halterung103 with the rod holders 104 and thus also the rod 106 to be fused in zones against the wall the melting chamber and thus also isolated from earth. In this case, e.g. B. a sub-conductor the coaxial line leading from the coupling coil to the heating circuit must be grounded. F i g. 3 shows a section from a device for crucible-free zone melting, in which this is the case. Same Parts also have in FIG. 3 has the same reference numerals as in FIG. 1 or as in FIG. 2b. the Shafts 103 are provided with insulating pieces 132 which hold the brackets 104 against the melting chamber wall 101 isolate. In Fig. 3 is a capacitive divider circuit corresponding to FIG. 2b as Balun shown, but the divider circuits according to FIGS. 2a, 2c and 2 d can be used. The center tap 126 of the electrical balun in the device according to FIG. 3 is electrically conductively connected to a contact tongue 133 by means of an electrical conductor 116. The contact tongue 133 makes electrical contact with the shaft 103 between the lower insulator 132 and the lower bracket
104 und damit mit dem zonenzuschmelzenden kristallinen Stab 106 her.104 and thus with the crystalline rod 106 to be zone-melted.
Statt durch ein elektrisches Symmetrierglied kann der mittlere Windungsteil 113 der Induktionsheizspule 107 in der Vorrichtung nach F i g. 3 auch dadurch auf dem Potential des Stabes 106 gehalten sein, daß der mittlere Windungsteil 113 mit der Kontaktzunge 133 durch einen elektrischen Leiter miteinander verbunden ist.Instead of an electrical balun, the middle turn part 113 of the induction heating coil 107 in the device according to FIG. 3 also thereby held at the potential of the rod 106 be that the middle turn part 113 with the contact tongue 133 by an electrical conductor with each other connected is.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E771 | Valid patent as to the heymanns-index 1977, willingness to grant licences |