DE1916317B2

DE1916317B2 - Stromzuführung für eine Induktionsspule beim tiegelfreien Zonenschmelzen

Info

Publication number: DE1916317B2
Application number: DE1916317A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.Rer.Nat. 8551 Pretzfeld Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-03-29
Filing date: 1969-03-29
Publication date: 1974-12-12
Also published as: FR2035990A1; US3671703A; SE352218B; DE1916317A1; DE1916317C3; GB1257284A; CH540716A; NL7003483A; JPS4811441B1

Description

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Aus der deutschen Auslegeschrift 1076 623 ist eine Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von stabförmigem Halbleitermaterial bekannt. Diese Einrichtung weist ein Hochvakuumgefäß auf, in dem eine mit Hilfe einer Induktionsheizspule erzeugte Schmelzzone durch das stabförmige Halbleitermaterial bewegt wird. Die Induktionsheizspule ist mit einer Stromzuführung für hochfrequenten Wechselstrom verbunden, welche in einer gasdichten Durchführung in der Gefäßwand verschiebbar angeordnet ist.

Die Stromzuführung besteht aus drei ineinandergeschachtelt und koaxial angeordneten Leiterrohren. Die beiden äußeren Leiterrohre sind an den beiden Enden der Stromzuführung elektrisch leitend miteinander verbunden, während sich im Zwischenraum zwischen dem inneren Leiterrohr geringster Rohrweite und dem mittleren Leiterrohr nächst größerer Rohrweite eine Zwischenlage aus mit Paraffin vergossenem bandförmigem 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 der größten Rohrweite aus elektrisch weniger gut leitendem Stahl besteht. Dieses Stahlrohr umschließt einen Kühlmittel, welches das mittlere, aus lÄesSnenSerrobr kühlt Außerdem stellt seine äußere Mantelfläche eine äußerst glatte Gleitfläche dar, die kaum anfällig gegen Beschädigungen ist so daß die Dichtung in der Durchführung einwandfrei arbeitet und kein Gas aus der Außenatraospbäre in das evakuierte Gefäß gelangen kann.

Durch die Erfindung wird die bekannte Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines knstallineu Stabes weiter verbessert, indem die Verlustleistunc in der Stromzuführung für die Induküonsheizsoule verringert wird. Dadurch wird erreicht, daß 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 Stromzuführung, bestehend aus mehreren ineinandergeschachtelt, mit radialem Abstand voneinander angeordneten Leiterrohren zur Energieversorgung einer in einem Gefäß angeordneten Induktionsheizspule in einer Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes. Diese Stromzuführung 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 eünstig wenn der Zwischenraum zwischen den Leiterrohren mit Isolierstoff ausgefüllt ist, welcher eine Shore-Härte im Bereich von 10 bis 100 und eine Dehnbarkeit von mindestens 20% hat, und wenn zwischen dem Isolierstoff und der Oberflache der Teilleiter eine gasdichte Haftverbindung besteht.

Die Erfindung und ihre Vorteile seien an Hand der Zeichnung näher erläutert:

F^:g 1 ist eine schematische Darstellung einer Stromdurchführung in einer Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen gemäß der Erfindung;

Fig.2 zeigt das Ersatzschaltbild der Stromdurchführung nach F i g. 1;

Fig.3 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Stromdurchführung für eine erfindungsgemäße Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen;

F i g. 4 zeigt im Schnitt eine weitere Ausführungsform einer Stromdurchführung.

In F i g. 1 ist schematisch eine Stromzuführung A dargestellt, welche aus fünf ineinandergeschachtelt und koaxial mit radialem Abstand voneinander angeordneten Leiterrohren besteht. Die Stromzuführung A ist in axialer Richtung verschiebbar in einet Durchführung der Wand B des Gefäßes angeordnet innerhalb dessen sich eine nicht dargestellte Induktionsheizspult befindet und in dem der Zonen-Schmelzvorgang abläuft. Die Durchführung ist durch eine Simmerringdichtung C abgedichtet.

In F i g. 1 gibt die Folge arabischer Zahlen 1 bis f die Numerierung der Leiterrohre nach zunehmen der Rohrweite, die Folge römischer Zahlen I bis \ die Numerierung nach abnehmender Rohrweite an.

An beiden Enden der Stromzuführung A sind dii Leiterrohre mit ungerader Nummer, also die Leiter rohre 1, 3 und 5 bzw. I, III und V durch elektrisch! Leiter D, E und F, G sowie die Rohre gerader Num mer 2 und 4 bzw. II und IV durch die elektrische)

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Leiter H und K elektrisch leitend miteinander ver- Stromflusses auf die Leiterrabre. Parallel zu den

^bu? β· n-*A _n u , Schellen 35 und 36 und damit parallel zu dem

In Fig.2 ist das Ersatzschaltbild der Strorozufüh- Leitevrohr 2 und den Leiterrohren I sowie 3 sind rung4 nach t ig, 1 dargestellt. Der obmsche Wider- drei Kondensatoren 38 geschaltet, die als Schwingstand K_?3 ^arabische Zählung) bedeutet den ohm- 5 kondensatoren im die Induktionsheizspule 13 enthalschen Widerstand und die Induktivität L₈₈ die Induk- tenden Heizkreis dienen und deren Anschlüsse mit tivität der aus den Letferrohren 2 und 3 (arabische den Schellen 35 und 36 beispielsweise verschraubt Numerierung) gebildeten Koaxialleitung. Entspre- sind. Es können auch vier oder mehr Schienen 37 cbendes gut fur die ohmschen Widerstände R_v„ R und Kondensatoren 38 vorgesehen sein, deren An- ^Ri5 ^{und d}!^e., induktivitäten L₁₂, L₃₄ und L₄;. im to scblußstellen an den Schellen 34 und 36 bzw. 35 und Ersatzschaltbild nach Fig.2 sind die Kapazitäten 36 jeweils gleichen Winkelabstand haben. An die der Stromdurchführung A nach Fig. 1 nicht berück- Schellen 35 und 36 ist ferner ein nicht dargestellter sichtigt, da diese bei Einrichtungen zum tiegelfreien Hochfrequenzgenerator angeschlossen.
Zonenschmelzen klein gegenüber der Kapazität des Die Zwischenräume zwischen den Leiterrohren 1, Kondensators im Heizkreis ist, welcher die Induk- 15 2 und 3 können ein Gas erhalten oder evakuiert sein, tionsheizspule zum Beheizen der Schmelzzone ent- Vorteilhaft ist es jedoch, wenn sie mit einem Isolierhält·, stoff ausgefüllt sind. Insbesondere wenn das Gefäß

Wie das Ersatzschaltbild nach F i g. 2 zeigt, sind der Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen, in die aus jeweils zwei benachbarten Leiterrohren gebil- dem sich das obere Ende der Stromzuführung mit deten Koaxialleitungen parallel zueinander geschal- »₀ der Induktionsheizspule 13 bef-ndet, evakuiert oder tet. Daher ist auch der Spannungsabfall an der mit Schutzgas gefüllt ist, ist es ^T. ..rteilhaft, wenn die Stromzuführung A mit mehreren ineinander^eschach- Zwischenräume zwischen den Leiterrohren 1 bis 3 telt angeordneten Leiterrohren, welche entsprechend mit einem Isolierstoff ausgefüllt sind, welcher eine Fig. 1 geschaltet sind, kleiner als an einer Stromzu- Shore-Härte im Bereich von 10 bis 100 und eine führung mit nur zwei ineinandergeschachtelt an- _a5 Dehnbarkeit von mindestens 20⁰O hat und wenn geordneten Leiterrohren. Deshalb ist auch die Ver- zwischen dem Isolierstoff und der Oberfläche der lustleistung bei der Stromdurchführung A mit mehre- Leiterrohre eine gasdichte Haftverbindung besteht, ren ineinandergeschachtelt angeordneten Leiterrohren Dadurch wird gewährleistet, daß keine Risse an den geringer als die einer Stromzuführung mit nur zwei in- Verbindungsstellen des Isolierstoffes mit den Waneinandergeschachtelt angeordneten Leiterrohren. Mit ₃₀ düngen der Leitcrrohre 1 bis 3 infolge von Temperader StromzuführungA nach Fig. 1 gelingt es somit, turwechseln auftreten, durch die das Vakuum in dem auch einer einwindigen Induktionsheizspule genü- Gefäß der Einrichtung zum tiegelfreien Zonengend Energie zum Beheizen der Schmelzzone in schmelzen verringert wird. Ein geeigneter Isolierstoff einem kristallinen Stab zuzuführen. Die Stromzu- ist kaltvulkanisierender Silikonkautschuk, z. B. SiIiführung A kann sogar eine beträchtliche Länge, z. B. ₃₅ konkautschuk der Firma Wacker mit der Handelsbc-1600 mm, haben, ohne daß ihre Verlustleistung ins zeichnung »Sil-Gel« und »Vergußmasse K«. Die Gewicht fällt. Wandungen der Leiterrohre 1 bis 3 weisen vorteilhaft

Die in Fig.3 dargestellte Ausführungsform einer einen Silikonharzüberzug auf, z.B. aus Silikonharz Stromzuführung zu einer Einrichtung zum tiegelfreien der Firma Wacker mit der Handelsbezeichnung »G Zonenschmelzen gemäß der Erfindung besteht aus ₄₀ 718«. Der Silikonkautschuk geht mit dem Silikondrei koaxial ineinandergeschachtelt angeordneten harzüberzug eine gasdichte und dauerhafte Haftver-Kupferrohren 1, 2 und 3. Diese Stromzuführung ist bindung ein. Silikonkautschuk hat ferner den Vorteil, in einer nicht dargestellten Durchführung in der daß sein dielektrischer Verlustf ktor kleiner als 10~² Wand des Gefäßes der Einrichtung zum tiegelfreien ist und daß seine Durchschlagsfestigkeit zwischen 30 Zonenschmelzen angeordnet. Die Leiterrohre sind *5 und 40 kV/mm liegt. Dadurch wird es ermöglicht, mit zunehmender Rohrweite numeriert. Am oberen die Induktionsheizspule 13 bei relativ hohen Span-Ende der Stromzuführung sind an den Leiterrohren 1 nungen zu betreiben, so daß eine relativ hohe Leibis 3 elektrisch leitende. Metallzungen 9 bis 11, bei- stung auf die Schmelzzone im kristallinen Stab überspielswe'se aus Kupfer, angebracht, während am un- tragen wird.

teren Ende, welches sich außerhalb des Gefäßes der 5° Fig.4 zeigt eine Ausführungsform der Stromzu-Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen befin- führung für eine Einrichtung zum tiegelfreien Zonendet, an den einzelnen Leiterrohren 1 bis 3 Schellen schmelzen gemäß der Erfindung, welche drei ko- 34 bis 36 aus elektrisch leitendem Metall (z. ß. SiI- axial ineinandergeschachtelt angeordnete Leiterrohre ber) befestigt sind. Eine beispielsweise einwindige In- 401 bis 403 aus Kupfer aufweist, deren Wandungen duktionsheizspule 13 ist an der Zunge 10 und an der 5⁵ je mit einem Kanal für ein Kühlmittel versehen sind. Zunge 11 elektrisch leitend befestigt. Die Leiterrohre Die Stromzuführung weist einen Stahlmantel 404 auf. 1 und 3 und die Zungen 9 und 11 sind zur Kleinhal- Die Leiten öhre 402 und 403 haben jeweils eine tung der Streuinduktivität randlich durch eine Silber- doppelte Wandung, zwischen den beiden Wandungsbrücke 12 miteinander verbunden. teilen strömt ein durch den Stutzen 405 zufließendes

Am unteren Ende der Stromzuführung, welches an ^6o und durch den Stutzen 406 abfließendes; Kühlmittel,

einen nicht dargestellten Hochfrequenzgenerator an- beispielsweise Wasser. Im Leiterrohr 401, welches

geschlossen ist, sind die Schellen 34 und 36 und da- von den drei Leiterrohren 401 bis 403 die kleinste

mit die Leiterrohre 1 und 3 durch drei Schienen 37, Rohrweite hat, befindet sich ein weiteres Rohr 409 die voneinander jeweils 120° Winkelabstand, bezo- ₆ mit noch kleinerer Rohrweite, dessen im Rohr 401 gen auf die Rohrachse, haben, isoliert von der befindliches Ende offen ist und das am anderen Ende Schelle 35 am Leiterrohr 2 elektrisch leitend mitein- einen weiteren Stutzen 410 zur Zuführung eines ander verbunden. Durch die Anordnung der Schie- Kühlmittels, beispielsweise Wasser, aufweist. Das

nen 37 ergibt sich eine gleichmäßige Verteilung des 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 und 403 sowie der Zwischenraum zwischen dem Leiterrohr 403 und dem Stahlmantel 404 sind mit kaltvulkanisierendem Silikonkautschuk 411 ausgefüllt. Die Außenfläche des Leiterrohres 401, die Außen- und die Innenflächen der Leiterrohre 402 und 403 sowie die Innenfläche des Stahlmantels 404 weisen einen nicht dargestellten Überzug aus Silikonharz auf.

Am oberen Ende der Stromzuführung befinden sich metallene Anschlußteile 412 und 413, die mit einer nicht dargestellten Induktionsheizspule elektrisch leitend verbunden sind. Das Anschlußteil 412 ist mit dem Leiterrohr 401 an der Stelle 416 verlötet und mit dem Leiterrohr 403 durch eine Lötstelle 422 und eine metallene Ringscheibe 417 elektrisch leitend verbunden, welche mit dem Leiterrohr 403 und dem Anschlußteil 412 verlötet ist. Das Anschlußteil 412 weist Kanäle 415 auf, in welchen der durch die doppelte Wandung des Leiterrohres 403 gebildete Kühlmittelkanal mündet. Das Anschlußteil 413 weist ebenfalls einen Kühlmittelkanal 414 auf, in welchen der durch die doppelte Wandung des Leiterrohres 402 gebildete Kühlmittelkanal mündet. Mit den An-

."■ schlußteilen 412 und 413 ist eine nicht dargestellte Induktionsheizspule derart elektrisch leitend verbunden, daß die Kühlmittelkanäle 414 und 416 in den Kühlmittelkanal der Induktionsheizspule münden. Dadurch wird erreicht, daß das Kühlmittel, das

ίο durch einen der Stutzen 405 in die Stromdurchführung einfließt, den Kühlmittelkanal der Induktionsheizspule durchfließt und schließlich durch den anderen Stutzen 406 die Stromdurchführung wiedei verläßt.

Am unteren Ende der Leiterrohre 401 bis 403 sine metallene Anschlußringe 419 bis 421 für nicht dargestellte elektrische Leiter vorgesehen, die diese An schlußringe und damit die Leiterrohre mit den Klem men nicht dargestellter Heizkreiskondensatoren unc

so eines nicht dargestellten Hochfrequenzgenerator: elektrisch leitend verbinden. Die Anschlußringe 41! und 421 sind durch einen elektrischen Leiter 42: miteinander verbunden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stromzuführung, bestehend aus mehreren ineinandergeschachtelten, mit radialem Abstand voneinander angeordneten Leiterrohren zur Energieversorgung einer in einem Gefäß angeordneten Induktionshäzspule in einer Einrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes, dadurch gekennzeich- *° net, daß numeriert nach zunehmender oder abnehmendre Rohrweite alle Leiterrohre ungerader Nummer (1, 3, S bzw. I, ΠΙ, V) und alle Leiterrohre gerader Nummer (2, 4 bzw. Π, IV) an beiden Enden der Stromzuführung elektrisch leitend verbunden sind (Fig. 1).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterrohre (401, 402, 403) mit einem Kanal für ein Kühlmittel versehen sind (Fig.-"). *°

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen den Leiterrohren (401, 402, 403) mit Isolierstoff (411) ausgefüllt ist, welcher eine Shore-Härte im Bereich von 10 bis 100 und eine as Dehnbarkeit von mindestens 20% hat, und daß zwischen dem Isolierstoff und der Oberfläche der Leiterrohre eine gasdichte Haftverbindung besteht (Fig. 4).

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen den Leiterrohren (401, 492 um* 403) mit Silikonkautschuk (411) ausgefüllt ist und daß die Oberfläche der Leiterrohre in diesen; Zwischenraum einen Überzug aus Silikonharz aufweist.