DE1913881C

DE1913881C - Vorrichtung zum tiegelfreien Zonen schmelzen

Info

Publication number: DE1913881C
Application number: DE19691913881
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr rer nat 8551 Pretzfeld Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1969-03-19
Publication date: 1971-05-27

Description

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Vorrichtungen zum tiegelfreien Zonenschmelzen tung zum tiegelfreien Zonenschmelzen ähnlich wie eines kristallinen Stabes weisen vielfach in der in Fig. 2a, jedoch mit einer anderen Schaltung des

Schmelzkammer neben Halterungen für die Stab- Symmetriergliedes.

enden eine Induktionsheizspule zum Beheizen der Die Fig. 1 zeigt Ausschnitte aus der metallenen

Schmelzzone auf. Durch eine Relativbewegung zwi- 5 Wandung 101 der Schmelzkammer einer Vorrichtung

sehen den Stabhalterungen einerseits und der Induk- zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen

tlonsheizspule andererseits wird diese Schmelzzone Stabes. In dieser Wandung befinden sich DurchfUh-

durch den kristallinen Stab bewegt. Die Induktions- rungen 102, in denen metallene Wellen 103 mit

heizspule kann z. B. eine mehrwindige Zylinderspule metallenen Stabhalterungen 104 angeordnet sind. Die

sein. Häufig 1st die Induktionsheizspule auch eine io Durchfuhrungen 102 sind mit einer Simmeringdich-

einwindige Spule. Diese Induktionsheizspule wird tung 105 gasdicht abgedichtet. Die Wellen 103 und

mit hochfrequentem Wechselstrom aus einem Hoch- damit die Stabhalterungen 104 können um die WeI-

froquenzgenerator gespeist. lenachse gedreht und gegebenenfalls auch in axialer

Die Schmelzkammer kann weitgehend evakuiert, Richtung verschoben werden. In den Stabhalterunsein, sie kann aber auch mit einem Schutzgas ge- 15 gen 104 ist jeweils ein Ende eines kristallinen Stabes

füllt sein. Als Schutzgasfüllung wurde bereits hoch- 106, z. B. eines Stabes aus Germanium oder Silicium,

reiner Wasserstoff vorgeschlagen, in dem stabför- befestigt. Mit Hilfe einer Induktionsheizspule 107,

mige Einkristalle mit besonders guter Kristallqualität die im vorliegenden Fall eine einwindige Spule ist,

durch tiegelfreies Zonenschmelzen gewonnen wer- jedoch z. B. auch eine mehrwindige Zylinderspule

den können. ao sein kann, wird im Stab 106 eine Schmelzzone 108

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 35 reinem Wasserstoff gefüllt sein.
Stabes auswirken. Die Gefahr von Überschlägen ist ' Parallel zur Induktionsheizspule 107 sind Kondenin einer mit Schutzgas gefüllten Schmelzkammer satoren HS 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-

Die Erfindung betrifft demgemäß eine Vorrich- frequenzgenerator 110 gespeist wird. Die Koaxial-

tung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristal- leitung 109 und damit der aus der Induktionsheiz-

linen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes mit einer spule 107 und den Kondensatoren Ϊ08 bestehende

Schmelzkammer, in der Halterungen für die Stab- Heizkreis sind über eine Koppelspule 112 an die

enden angeordnet sind, und einer den Stab umgeben- 35 Schwingspule 111 des Tankkreises im Hochfrequenz-

den Induktionsheizspule, insbesondere einer einwin- generator 110 angekoppelt.

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 Tnduktionsheizspule ist liegenden Aufgabe dadurch gekennzeichnet, daß der 40 mit d;r Wand 101 der Schmeizkammer über eine mittlere Windungsteil bzw. die mitllerr Wir.dung der elektrische Leitung 114 verbunden. Sowohl die Stabin :h·'Jionshc!7<spu!i· ;in ' (Ut Kristalline Stab wäh- halterungen 104 und damit der Stab 106 als auch der rend des Schmelzzonendurchgangs auf gleichem elek- mittlere Windungsteil 113 der Induktionsheizspule trischem Potential geschaltet sind. 107 haben dasselbe Potential, da die Wellen 103 und

In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens 45 die Wandung 101 der Schmelzkammer geerdet sind,

ist vorgesehen, daß der mittlere Windungsteil bzw. Dadurch ist die maximale Potentialdifferenz zwi-

die mittlere Windung der Induktionsheizspule und sehen der Induktionsheizspule 107 und dem kristal-

mindestens eine der Stabhalterungen elektrisch lei- linen Stab 106 nur halb so groß, als sie es wäre, wenn

tend miteinander verbunden sind. Auch kann par- der mittlere Windungsteil 113 der Induktionsheiz-

allel zur Induktionsheizspule ein elektrisches Sym- 50 spule 107 nicht mit der Schmelzkammerwand 113

metrierglied geschaltet sein, dessen Mittelpunkts- elektrisch leitend verbunden wäre und daher nicht

anzapfung mit mindestens einer Stabhalterung elek- dasselbe Potential wie der Stab 106 hätte. Daher

trisch leitend verbunden ist. treten in der Vorrichtung nach Fig. 1 keine Über-

Die Erfindung und ihre Vorteile seien an Hand schlage auf. Die Schaltung der Induktionsheizspule

der Zeichnung näher erläutert. 55 nach F i g. 1 ist besonders vorteilhaft, wenn die

F i g. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Einrich- Induktionsheizspule feststehend in der Schmelzkam-

tung zum ticgelfrcien Zonenschmelzen eines kristal- merwand angeordnet ist und der dem Zonenschmelz-

lincn Stabes mit einer Induktionsheizspule und einem prozeß zu unterwerfende Stab relativ zur Spule und

Hochfrequenzgenerator zum Speisen dieser Induk- zur Schmelzkammer in axialer Richtung bewegt

tionshcizspule; 60 wird.

Fig. 2a zeigt einen Ausschnitt aus einer Vorrich- Der in Fig. 2a dargestellte Ausschnitt aus einer

tung zum ticgelfruien Zonenschmelzen eines kristal- Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen ent-

linen Stabes ähnlich wie in Fig. 1, jedoch mit einem spricht dem in Fig. 1 dargestellten Ausschnitt. Glei-

parallel zur Induktionsheizspule geschalteten elektri- ehe Teile haben gleiche Bezugszeichen. Der mittlere

sehen Symmetrierglied; 65 Windungsteil 113 der Induktionsheizspule 107 ist

Fig. 2b bis 2d zeigen andere Ausführungsformen jedoch nicht wie in Fig. 1 durch einen mit der

des elektrischen Symmetriergliedes; Schmelzkammerwand verbundenen elektrischen Lei-

F i g. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer Vorrich- ter auf dem Potential der Halterungen 104 und damit

des Halbleltorstabes 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 Symmetrerglied 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 Induktionsheizspule 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 F i g. 2 a hat den Vorteil, daß die Kondensatorgruppen 117 bis 119 zugleich als Schwingkreiskondensatoren für den Heizkreis mit der Induktionsheizspule 107 dienen.

Fig. 2b 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 12S. Diese Mittelanzapfung ist durch einen elektrischen Leiter 116 mit der Wandung der geerdeten Schmelzkammer elektrisch leitend verbunden.

Fig. 2c zeigi als Symmetrierglied eine induktive Teilerschaltung. Parallel zu dem aus der Induktionsheizspuie 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 kiein gehalten. Die Spule 128 weist eine Mittelanzapfung 129 auf, welche über einen elektrischen Leiter 116 mit der geerdeten Schmelzkammerwandung elektrisch leitend verbunden ist.

Eine weitere induktive Teilerschaltung zeigt die Fig. 2d. 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.

Die Schaltungen nach den Fig. 2a bis 2c und insbesondere die induktive Teilerschaltung nach F i g. 2d sind besonders günstig füiZoncnschmelzvorrichtungen mit bewegter Spule, da hier keine mit der Schmelzkammerwandung verbundene Stromzuführung zur Induktionsheizspule erforderlich ist. Aus konstruktiven (!runden kann es vorteilhaft sein, wenn die Wellen

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 Fig. 3 die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 bzw. wie in Fig.2b. Die Wellen 103 sind mit IsoüersLücken 132 versehen, welche die Halterungen 104 gegen die Schmelzkammerwandung 101 isolieren. In F i g. 3 ist eine kapazitive Teilerschaltung entsprechend Fig. 2b als Symmetrierglied dargestellt, jedoch können auch die Teilerschaltungen entsprechend den F i g. 2 a, 2 c und 2d verwendet werden. Die Mittelanzapfung 126 des elektrischen Symmetriergliedes in der Vorrichtung nach Fig. 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 Halterung

104 und damit mit dem zonenzuschmelzenden kristallinen Stab 106 her.

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.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum tiegeli>cien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes mit eine; Schmebkammer, in der Halterungen für die Stabenden angeordnet ain-i, und einer den Stab umgebender, Induktionshcii spule, insbesondere eiim cinwi^digcn Spule odoi einer mehrwindigen Zylinderspule, zum Beheizen der Schmelzzone, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Windungsteil bzw. die mittlere Windung der Induktionsheizspule und der kristalline Stab während des Schmelzzonendurchgangs auf gleichem elektrischem Potential geschaltet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Windungsteil bzw. die mittlere Windung der Induktionsheizspule und mindestens eine der Halterungen für die Stabenden elektrisch leitend miteinander verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Halterungen für die Stabenden, dcir mittlere Windungsteil bzw. die mittlere Windung der Induktionsheizspule und die Schmelzkammer geerdet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungen für die Stabenden und der mittlere Windungsteil bzw. die mittlere Windung der Induktionsheizspule gegen die Schmelzkamnicr elektrisch isoliert sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Indiiktionshcizspule ein elektrisches Symmetrierglied geschaltet

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ist, dessen Mittelpunktsanzapfung mit mindestens einer Stabhaltcrung elektrisch leitend verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Symmetrierglied eine kapazitive Teilerschaltung vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Symmetrierglied eine induktive Teilerschaltung vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß ein die Induktionsheizspule enthaltender Heizkreis induktiv mittels einer im Heizkreis vorgesehenen Kopplungsspule an den Tankkreis eines Hochfrequenzgenerators angekoppelt ist und daß der mittlere Windungsteil bzw. die mittlere Windung der Kopplungsspule mit mindestens einer der Halterungen für die Stabenden elektrisch leitend verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelpunktsanzapfung des Symmetriergliedes, mindestens eine der Halterungen für die Stabenden und die Schmelzkammer geerdet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelpunktsanzapfung des Symmetriergliedes und die Halterungen für die Stabenden gegen die Schmelzkammer elektrisch isoliert sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen