DE1916317A1

DE1916317A1 - Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes

Info

Publication number: DE1916317A1
Application number: DE19691916317
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Wolfgang Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-03-29
Filing date: 1969-03-29
Publication date: 1970-10-15
Also published as: CH540716A; FR2035990A1; NL7003483A; DE1916317B2; GB1257284A; US3671703A; DE1916317C3; SE352218B; JPS4811441B1

Description

Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 076 62 5 ist eine Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von stabförmigen Halbleitermaterial bekannt. Diese Einrichtung weist ein Hochvakuumgefäß auf, in dem eine mit Hilfe einer Induktionsheizspuie erzeugte Schmelzzone durch das stabförmige Halbleitermaterial bewegt wird. Die Induktionsheizspule ist mit einer Stromzuführung fur hochfrequenten Wechselstrom verbunden, welche in einer gasdichten Durchführung in der Gefäßwand verschiebbar angeordnet ist.

Die Stromzuführung besteht aus drei ineinandergeschachtelt und koaxiax angeordneten Leiterrohren. Die beiden äußeren Leiterrohre sind an den beiden Enden der Stromzuführung elektrisch leitend miteinander verbunden, während sich im Zwiseherraum zwischen dem inneren Leiterrohr geringster Rohrweite und dem mittleren Leiterrohr nächst größerer Rohrweite eine Zwischenlage aus mit Paraffin vergossenem bandförmigen Polytetrafluoräthylen befindet. Das innere Leiterrohr mit der kleinsten Rohrweite sowie das mittlere Leiterrohr mit der nächst größeren Rohrweite bestehen aus elektrisch gut leitendem Kupfer, während das äußere Leiterrohr mit cter größten Rohrweite aus elektrisch weniger gut leitendem Stahl besteht. Dieses Stahlrohr umschließt einen Kanal fur ein Kühlmittel, weiches das mittlere, aus Kupfer bestehende Leiterrohr kühlt. Auüeraem stellt seine äußere Mantelfläche eine äuiaerst glatte Gleitfläche dar, die kaum anfällig gegen Beschädigungen ist, ao -hiü die Dichtung in der Durchführung einwandfrei arbeitet und kein Gas aus der Auüenatmosphäre in das evakuierte Gefäß gelangen kann*

BAD ORIGINAL

009842/0567

Durch die Erfindung wird die bekannte Einrichtung zum tiegel freien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes weiter verbessert, indem die Verlustleistung in der Stromzuführung für die Induktionsheizspuie verringert wird. Dadurch wird erreicht, dab- auch eine einwindige Induktionsheizspule mit geringem ohmschen und' induktiven Widerstand eine hohe Heizleistung auf die'Schmelzzone im kristallinen Stab überträgt.

Die Erfindung betrifft demgemäß eine Einrichtung zum tiegeifreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes mit einem Gefäß, in dem eine Induktionsheizspule zum Beheizen der Schmelzzone angeordnet ist, und mit einer in einer Durchführung in der Wand des Gefäßes angebrachten Stromzuführung für die Induktionsheizspule, welche aus mehreren,ineinandergeschachtelt und mit radialem Abstand voneinander angeordneten Leiterrohren besteht. Diese Einrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß numeriert nach zunehmender oder abnehmender Rohrweite alle Leiterrohre ungerader Nummer einerseits und alle Leiterrohre gerader Nummer andererseits an beiden" Enden der Stromzuführung elektrisch leitend verbunden sind.

Es ist vorteilhaft, wenn die Leiterrohre mit einem Kanal für ein Kühlmittel versehen sind. Ferner ist es günstig, wenn der Zwischenraum zwischen den Leiterrohren mit Isolierstoff ausgefüllt ist, welcher eine Shore-Härte im Bereich von Tu bis 100 und eine Dehnbarkeit von mindestens 20 $ hat, und wenn zwischen dem Isolierstoff und der Oberfläche der Teilleiter eine gasdichte Haftverbindung besteht. .

Die Erfindung und ihre Vorteile seien anhand der Zeichnung näher erläutert: ■-■ ■'

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Stromdurchführung in einer Einrichtung zum tiegeifreien Zonenschmelzen gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt das Ersatzschaltbild der Stromdurchführung nach Fig... 1 ·

BAD ORIGINAL 0098Λ2/0567 - ³ -

Pig. 3 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Stromdurchführung fur eine erfind ungsgemälie Einrichtung zum tiegeifrelen Zonenschmelzen*

Pig. 4 zeigt im Schnitt eine weitere Ausfuhrungfortn einer 3tromdurchfuhrung.

In Pig. 1 iet sohematiech eine Stromzuführung A dargestellt, weiche aus fünf ineinandergeschachtelt und koaxial mit radialem Abstand voneinander angeordneten Leiterrohren besteht. Die Stromzuführung A ist in axialer Richtung verschiebbar in einer Durchführung der Wand B des Gefäßes angeordnet, innerhalb dessen sich eine nicht dargestellte Induktionsheizspule befindet und in dem der Zonenschmelzvorgang abläuft. Die Durchführung ist durch eine Simmerringdichtung C abgedichtet.

In Pig. 1 gibt die Polge arabischer Zahlen 1 bis 5 die Numerierung der Leiterrohre nach zunehmender Röhrweite, die Folge römischer Zahlen I bis Y die Numerierung nach abnehmender Rohrweite an.

An beiden Enden der Stromzuführung A sind die Leiterrohre mit ungerader Nummer, also die Leiterrohre 1, i und 5 bzw. I, III und V durch elektrische Leiter D, E und P, G sowie die Rohre gerader Nummer 2 und 4 bzw. II und IV durch die elektrischen Leiter H und K elektrisch leitend miteinander verbunden.

In Pig. 2 ist das Ersatzschaltbild der Stromzuführung A nach Fig. 1 dargestellt. Der ohmsche Widerstand Rp (arabische Zählung) bedeutet den ohmseben Widerstand und die Induktivität L die Induktivität der aus den Leiterrohren 2 und *> (arabische Numerierung) gebildeten Koaxialleitung. Entsprechenües gii-t für aie ohmschen Widerstände H₁₂' ^xA* ^R4^ ^unti die Induktivitäten L^₂, L-4 und L,-. Im Ersatzschaltbild nach Pig. ί sind die Kapazitäten der Stromdurchführung A nach Pig. 1 nicht berücksichtigt, da diese bei Einrichtungen zum tiegelfreien 2or.er.sch.nieIzen klein gegenüber der Kapazität des Kondensators iis Heizkreis ist, weicher die Induktionsheisspule zum Beheizen der S-hme_ζζ one enthält-,

BAD ORIGINAL 009842/0 567 - ' -

Wie das Ersatzschaltbild nach Fig. 2 zeigt, sind die aus jeweils zwei benachbarten Leiterrohren gebildeten Koaxialleitungen parallel zueinander geschaltet. Daher ist auch der Spannungsabfall an der Stromzuführung A mit mehreren ineinandergeschachtelt angeordneten Leiterrohren, welche entsprechend Fig. 1 geschaltet sind, kleiner als an einer Stromzuführung mit nur zwei ineinandergeschachtelt angeordneten Leiterrohren. Deshalb ist auch die Verlustleistung bei der Stromdurchführung A mit mehreren ineinandergeschachtelt angeordneten Leiterrohren geringer ais die einer Stromzuführung mit nur zwei ineinandergeschachtelt angeordneten Leiterrohren. Mit der Stromzuführung A nach Fig. 1 gelingt es somit, auch einer einwindigen Induktionsheizspule genügend Energie zum Beheizen der Schmelzzone in einem kristallinen Stab zuzuführen. Die Stromzuführung A kann sogar eine beträchtliche Länge, z.B.; 16UU mm, haben, ohne daü ihre Verlustleistung ins Gewicht fällt.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform einer Stromzuführung zu einer Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen gemäß der Erfindung bes⁺eht aus drei koaxial ineinandergeschachtelt angeordneten Kupferrohren 1, 2 und 3· Diese Stromzuführung ist in einer nicht dargestellten Durchführung in der Wand des Gefäßes der Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen angeordnet. Die Leiterrohre sind mit zunehmender Rohrweite numeriert. Am oberen Ende der Stromzuführung sind an den Leiterrohren 1 bis 3 elektrisch leitende Metailzungen 9 bis 11, beispielsweise aus Kupfer, angebracht-, während am unteren Ende, welches sich außerhalb des Gefäßes der. Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen befindet, an den einzelnen Leiterrohren 1 bis j Schellen 34 bis $6 aus elektrisch .Leitendem Metali (z.B.' Silber) befestigt sind. Eine beispielsweise einwindige Induktionsheizspule 13 ist an'der Zunge 10 und an der Zunge 11 elektrisch leitend befestigt. Die Leiterröhre 1 und } und die Zungen 9 und 11 sind zur Kleinhaltung der Streuinduktivität randlich durch eine Silberbrücke 12 miteinander verbunden.

Am unteren Ende der Stromzuführung, welches an einem nicht dargestellten Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist, sind die Schellen j^L und i€- und damit die Leiterrohre 1 und 3 durch drei

009842/0567

BAD

Schienen 37, die voneinander jeweils Ti? U⁰ Winker abstand, bezogen auf die Rohrachse, haben, isoliert von der Schelle 35 am Leiterrohr c elektrisch leitend miteinander verbunden. Durch die Anordnung der Schienen 37 ergibt sich eine gleichmäßige Verteilung des Stromflusses auf die Leiterrohre. Parallel zu den Schellen 35 und 36 und damit parallel zu dem Leiterrohr Z un.i den Leiterrohren 1 sowie 3 sind drei Kondensatoren 38 geschaltet,, die ais Schwingkondensatoren im die Induktionsheizspule 13 enthaltenden Heizkreis dienen und deren Anschlüsse mit den Schellen 35 und 36 beispielsweise verschraubt sind. Es können auch vier oder mehr Schienen 37 und Kondensatoren 38 vorgesehen sein, deren Anschlußstellen an den Schellen 34 und 36 bzw. 35."und 36 jeweils gleichen Winkelabstand haben. An die Schellen 35 und $6 ist ferner ein nicht dargestellter Hochfrequenzgenerator angeschlossen.

Die Zwischenräume zwischen den Leiterrohren 1, 2 und 3 können ein Gas enthalten oder evakuiert sein. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn sie mit einem Isolierstoff ausgefüllt sind. Insbesondere wenn das.Gefäß der Einrichtung zum tiegeifreien Zonenschmelzen, in dem sich das obere Ende der Stromzuführung mit der Inuuktionsheizspuie 13 befindet, evakuiert oder mit Schutzgas gefüllt ist, ist es vorteilhaft, wenn die Zwischenräume zwischen den Leiterrohren 1 bis 3 mit einem Isolierstoff ausgefüllt sind, weicher eine Shore-Härte im Bereich von 1ü bis 100 und eine Dehnbarkeit von mindestens 20 °/o hat und wenn zwischen dem Isolierstoff und der Oberfläche der Leiterrohre eine gasdichte Haftverbindung besteht. Dadurch wird gewährleistet, daß keine Risse an den Verbindungsstellen des Isolierstoffes mit den Wandungen der Leiterrohre 1 bis 3 infolge von Temperaturwechseln auftreten, durch die das Vakuum in dem Gefäß der Einrichtung zum tiegel freien Zonenschmelzen verringert wird. Ein geeigneter Isolierstoff ist kaltvulkanisierender Silikonkautschuk, z*B. Silikonkautschuk der Firma Wacker mic der Handelsbezeichnung "SiI-GeI" und "Vergußmasse K". Die Wandungen der Leiterrc-hre 1 bis 3 weisen vorteilhaft einen Silikonharzüberzug auf,. z«3. aus Silikonharz der Firma Wacker mit der Handelsbezeichnung "G 718". Der Silikonkautschuk geht mit dem 3: ii.l^r'"i-.!ip.r2uberzug eine gasdichte und dauerhafte Haft verbindung

BAD ORIGINAL 009842/0567 - 6 -

ein. Silikonkautschuk hat ferner den Vorteil, daß sein dielektrischer Verlustfaktor kleiner als 10~ ist und daß seine Duren— Schlagsfestigkeit zwischen 30 und 40 kV/mm liegt. Dadurch-wird es ermöglicht, die Induktionsheizspule 13 bei relativ hohen Spannungen zu betreiben, so daß eine relativ.hohe Leistung auf die Schraeizzone im kristallinen Stab übertragen wird.

Pig. 4 zeigt eine Ausfuhrungsform der Stromzuführung für eine Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen gemäß der Erfindung, weiche drei koaxial ineinandergeschachtelt angeordnete Leiterrohre 4U1 bis ;5Ü3 aus Kupfer aufweist, deren Wandungen je mit einem Kanal für ein Kühlmittel versehen sind. Die Stromzuführung weist einen Stahlmantel 404 auf.

Die Leiterrohre 402 und 403 haben jeweils eine doppelte Wandung, zwischen den beiden Wandungsteilen strömt ein durch den Stutzen 4Ü5 zufließendes und durch den Stutzen 406 abfließendes Kühlmittel, beispielsweise Wasser. Im Leiterrohr 401, weiches von den drei Leiterrohren 401 bis ,403 die kleinste Rohrweite hat, befindet sich ein weiteres Ronr 409 mit noch kleinerer Rohrweite, dessen im Rohr 401 befindliches Ende offen ist und das am anderen Ende einen weiteren Stutzen 410 zur Zuführung eines Kühlmittels, beispielsweise Wasser, aufweist·. Das durch den Stutzen 410 zugeführte Kühlmittel fließt im Zwischenraum zwischen dem Leiterrohr 401 und dem Rohr 409 zurück zu einem Auslaßstutzen 408, durch den es die Stromzuführung verläßt.

Die Zwischenräume zwischen den Leiterrohren 401, 402 und403 sowie der Zwischenraum zwischen dem Leiterrohr 40:5 und dem Stahle mantel 404 sind mit kaltvulkanisierendem Silikonkautschuk 410 bzw. 411 ausgefüllt. Die Außenfläche des Leiterrohres 401,die ^ Außen- und die Innenflächen der Leiterröhye 402 und 403 sowie die Innenfläche des Stahlmantels 404 weisen einen nicht dargestellten Überzug aus .Silikonharz auXV ; ■

Am oberen Ende der Stromzuführung befinden sich metallene Anächlüßteile 412 und 413» die mit einer nicht dargestellten Induktions-r heizspule elektrisch leitend verbunden sind. Das Ansehlußteil 4T2

009842/0567 - - 7 - "

BAD ORiGfKiAL

ist mit dem Leiterrohr 401 an der Steile 416 verlötet und mit dem Leiterrohr 403 duroh eine Lötstelle 422 und eine metallene Ringscheibe 417 elektrisch leitend verbunden, welche mit dem Leiterrohr 405 und dem Anschlußteil 412 verlötet ist. Pas Anschi uatei ι 412 weist Kanäle 415 auf, in welche der durch die doppelte* wandung des Leiterrohres 40? gebildete Kühlmittel kanal mündet. Das Anschluüteil 413 weist ebenfalls einen Kühlmittelkanal 414 auf, in welchen der durch die doppelte wandung des Leiterrohres 4U2 gebildete Kühlmitteikanal mündet. Mit den Anschlußteilen 412 und 415 ist eine nicht dargestellte Induktionsheizspuie derart elektrisch leitend verbunden, daß die Kühlmittel kanale 414 und 416 in den Kuhlmittelkanai der Induktionsheizspuie munden. Dadurch wird erreicht, daß das Kühlmittel, das durch einen der Stutzen 4u5 in die Stromdurchführung einfließt, den Kühamittelkanal der Induktionsheizspule durchfliegt und schließlich durch den anderen Stutzen 406 die Stromdurchführung wieder verläßt.

Am .unteren Ende der Leiterrohre 4^1 bie 4U3 sind metallene Anschluliringe 41 "■< bis 421 fur nioht dargestellte elektrische Leiter vorgesehen, aie diese Anschlußringe und dami+ die Leiterrohre mit den Klemmen nicht dargestellter Heizkreiskondensatoren und eines nicht dargestellten Hochfrequenzgenerators elektrisch leitend verbinden. Die Anschlußringe -+19 und 4<i1 sina durch einen elektrischen Leiter 423 miteinander verbunden.

4 Patentansprüche
4 Figuren

0098*2/0567 BADORIGfNAL

Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes mit einem Gefäß, in dem eine Induktionsheizspuie zum Beheizen der Schmelzzone angeordnet ist, und mit einer in einer Durchfuhrung in der Wand des Gefäßes angebrachten Stromzuführung fur die Induktionshexzspule, welche aus mehreren ineinandergeschachtelt und mit radialem Abstand voneinander angeordneten Leiterrohren besteht, dadurch gekennzeichnet, daß numeriert nach zunehmender oder abnehmender Rohrweite alle Leiterrohre ungerader Nummer einerseits und alle Leiterrohre

™ gerader Nummer andererseits an beiden Enden der Stromzuführung exektrisch leitend verbunden sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterrohre mit einem Kanal für ein Kühlmittel versehen sind. i

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen den Leiterrohren mit Isolierstoff ausgefüllt ist, weicher eine Shore-Härte im Bereich von 1u bis 100 und eine Dehnbarkeit von mindestens 20 % hat, und daß zwischen dem Isolierstoff und der Oberfläche der Leiterrohre, eine gasdichte Haftverbandung besteht. ·

£. Einrichtung nach Anspruch 3f dadurch gekennzeichnet, da!3 der Zwischenraum zwischen den Leiterrohren mit Silikonkautschuk ausgefüllt ist und daß die Oberfläche der Leiterrohre in diesem Zwischenraum einen Überzug aus Silikonharz'aufweist.

BAD ORIGfNAL

0 0 9 fU 2 / P 5 6 7