DE19909495A1 - Verfahren zum Schmelzen von Halbleiterwerkstoffen, elektrisch nichtleitenden Werkstoffen oder Legierungen dieser Werkstoffe sowie Induktionstiegel zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Schmelzen von Halbleiterwerkstoffen, elektrisch nichtleitenden Werkstoffen oder deren Legierungen mit Hilfe eines Tiegels aus elektrisch leitfähigem Material mit mindestens zwei den Tiegel umschlingenden, koaxial und übereinander angeordneten Spulen, die von Wechselströmen gespeist sind, wobei die Spulen von Strömen verschiedener Frequenzen durchflossen sind und die Dicke der Seitenwand des Tiegels mindestens im Bereich einer Spule kleiner als die Eindringtiefe des Magnetfeldes bemessen ist, ist der Leistungseintrag in der oberen Induktionsspule zu Prozeßbeginn größer bemessen als der Leistungseintrag in der unteren Spule.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen von Halbleiterwerkstoffen, elektrisch nichtleiten­ den Werkstoffen oder Legierungen dieser Werkstoffe sowie Induktionstiegel aus elektrisch leitfähigem Material, beispielsweise aus Graphit, und mit min­ destens zwei den Tiegel umschlingenden, übereinan­ der angeordneten Spulen.

Bekannt ist ein kernloser Induktionstiegelofen zum Schmelzen, Warmhalten und Behandeln, z. B. von Le­ gierungen, von Metallen (DE 27 48 136), dessen In­ duktionsspule von einem Drehstromnetz einphasig über eine Umschalteinrichtung wahlweise einerseits mit einer höheren Frequenz als Netzfrequenz, ande­ rerseits mit Netzfrequenz beaufschlagbar ist, wo­ bei die Windungsspannung der Induktionsspule bei der höheren Frequenz größer als die Netzfrequenz ist und zwischen dem Drehstromnetz und der Induk­ tionsspule im Falle der Beaufschlagung mit der hö­ heren Frequenz nacheinander ein Netzschalter, ein Drehstromtransformator, ein erster Lastschalter, ein Frequenzumformer und ein erster Kompensations­ kondensator für die Kompensation der Blindstrom­ last des Tiegelofens bei der höheren Frequenz ge­ schaltet sind, im Fall der Beaufschlagung mit Netzfrequenz ein mit dem ersten Lastschalter ge­ gensinnig verriegelter zweiter Lastschalter und ein zweiter Kompensationskondensator für die Kom­ pensation der Blindstromlast des Tiegelofens bei Netzfrequenz, wobei der elektrische Strom auch bei Betrieb der Induktionsspule mit Netzfrequenz über den Netzschalter und den Drehstromtransformator des Stromweges für die höhere Frequenz führbar ist und die Wicklungen des Drehstromtransformators je­ weils mehrere Anzapfungen und/oder mehrere zwi­ schen Serien- und Parallelbetrieb umschaltbare Spulengruppen besitzen, die beim Umschalten von der höheren Frequenz auf Netzfrequenz von Serien­ auf Parallelbetrieb und umgekehrt umschaltbar sind, und/oder die Induktionsspule mehrteilig aus­ gebildet ist, wobei ihre Teilspulen beim Umschal­ ten von der höheren Frequenz auf Netzfrequenz von Serien- auf Parallelbetrieb und umgekehrt um­ schaltbar sind.

Bekannt ist weiterhin ein Induktionstiegelofen mit einer durchgehend gewickelten und Anzapfungen auf­ weisenden Spule, deren einzelne Abschnitte entwe­ der zur Durchführung metallurgischer Reaktionen im Tiegel für die Erzeugung eines magnetischen Wan­ derfeldes an phasenverschobene Spannungen, z. B. an ein Drehstromnetz, oder zum Schmelzen des Ein­ satzgutes in Einphasenschaltung an eine Wechsels­ pannung anlegbar sind (DE-OS 23 50 090), wobei bei einer Höhe des Badspiegels im Tiegel, die bei Wan­ derfeldbetrieb der gesamten Spulenhöhe entspricht, beim Einphasenbetrieb von oben ausgehend, wenig­ stens ein Abschnitt der Spule abgeschaltet ist.

Man hat auch bereits eine Vorrichtung für die Her­ stellung von Metallen und Metallegierungen hoher Reinheit vorgeschlagen (DE 42 07 694), mit einem aus mehreren metallischen Segmenten bestehenden gekühlten Tiegel, der von einer Induktionsspule umgeben ist, wobei in dem Tiegel eine flüssige Schlackenschicht vorgesehen ist, in die wenigstens eine Elektrode aus einem Metall oder aus einer Me­ tallegierung eingetaucht ist und die Elektrode an einer Spannungsquelle anliegt und sich der Tiegel in Richtung auf seinen Boden verjüngt und der ver­ jüngte Bereich des Tiegels von einer Indukti­ onsspule umgeben ist, die an einer Wechselspannung anliegt.

Bekannt ist schließlich eine Plasmainduktionsanla­ ge (EP 0 267 963), die einen Behälter zum Schmel­ zen des Einsatzgutes, der in einem an eine Konden­ satorbatterie und eine Wechselstromquelle ange­ schlossenen Induktor aufgestellt ist und wenig­ stens ein Plasmatron enthält, der mit dem Induktor elektrisch gekoppelt ist, wobei das Plasmatron parallel zu einem Teil der Windungen des Induktors angeschlossen ist. Diese Plasmainduktionsanlage umfaßt eine Gleichrichteranlage für den durch das Plasmatron fließenden Wechselstrom, deren Eingang mit dem Teil der Windungen des Induktors elek­ trisch gekoppelt und deren Ausgang an das Plasma­ tron angeschlossen ist, wodurch ein Gleichstrom­ kreis des Plasmatrons gebildet wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Induktionstiegelofen zu schaffen, der zum Aufschmelzen einer größeren Charge geeig­ net ist, mit besonders hohem Wirkungsgrad arbei­ tet, eine besonders kurze Einschmelzzeit aufweist und dessen Herstellung vergleichsweise geringe Ko­ sten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Spulen von elektrischen Strömen verschie­ dener Frequenzen durchflossen sind, wobei die Dic­ ke der Seitenwand des Tiegels über seine Höhe gleich, jedoch mindestens im Bereich einer Spule kleiner als die Eindringtiefe der Magnetfelder be­ messen ist.

Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfin­ dung sind die Spulen von elektrischen Strömen gleicher Frequenz durchflossen, wobei die Dicke der Seitenwand des Tiegels über seine Höhe unter­ schiedlich, jedoch mindestens im Bereich einer Spule kleiner als die Eindringtiefe des jeweiligen Magnetfeldes bemessen ist.

Vorzugsweise ist der Tiegel mit einer seine Wand verstärkenden Auskleidung oder einem Innentiegel aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff, vorzugsweise Quarzglas versehen. Mit Vorteil ar­ beiten die an die Spulen angeschlossenen Strom­ quellen, vorzugsweise Wechselstromgeneratoren, un­ abhängig voneinander, wobei die eine Spule bei­ spielsweise mit 2000 Hz und die andere Spule mit 250 Hz betrieben wird. Zweckmäßigerweise weist der aus elektrisch leitfähigem Material gebildete Tie­ gel im Bereich der unteren Induktionsspule eine Wandstärke auf, die deutlich kleiner bemessen ist als die Eindringtiefe des Magnetfeldes gemäß der Beziehung

wobei
µ die Permeabilität,
f die Frequenz des Wechselstromes und
ζ der spezifische elektrische Wider­ stand des aus leitfähigem Material gebildeten Tiegels ist.

Weitere Einzelheiten und Merkmale sind in den Un­ teransprüchen näher beschrieben und gekennzeich­ net.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausfüh­ rungsmöglichkeiten zu; eine ist Fig. 1 schema­ tisch wiedergegeben, die einen doppelwandigen Tie­ gel im Schnitt zeigt.

Die Fig. 2 und 3 zeigen die Strom- und Lei­ stungsdichten in Zweischichtsystemen bei 500 Hz und 100 Hz, bezogen auf die untere Spule.

In Fig. 1 ist mit 2 ein Schmelztiegel bezeichnet, der mit einer Metallschmelze 3 angefüllt und von einer Induktionsspule umfaßt ist, die in zwei Teilspulen 4, 5 aufgeteilt ist. Die Teilspulen 4, 5 besitzen insgesamt vier Anzapfungen und werden von Wechselstromgeneratoren 6, 7 gespeist, und zwar mit verschiedenen Frequenzen (z. B. 2000 Hz und 250 Hz). Der Tiegel 2 ist mit einer Auskleidung 8 versehen, die beispielsweise aus Quarzglas be­ steht, während die Tiegelaußenwand aus einem elek­ trisch leitenden Werkstoff, vorzugsweise Graphit gefertigt ist. Die Wandstärke s des Graphittiegels ist so bemessen, daß sie der Eindringtiefe der Ma­ gnetfelder der Induktionsspulen 4, 5 entspricht. Im Falle, daß die Magnetfelder der beiden Indukti­ onsspulen 4, 5 verschieden tief in die Tiegelwand eindringen, ist es zweckmäßig (nicht näher darge­ stellt), die Wandstärke s diesen anzupassen und unterschiedlich stark auszubilden, beispielsweise die Tiegelinnenwand kegelig auszubilden, so daß die Wandstärke im Bereich des Tiegelbodens größer ist als im Bereich des oberen Randes (mit einem sich konisch verkleinernden Tiegelinnendurchmes­ ser). Der leitfähige Tiegel kann auch so ausgebil­ det sein, daß er im Bereich der unteren Indukti­ onsspule 5 eine Wandstärke s aufweist, die kleiner ist als die (nach der Beziehung Eindringtiefe =

errechnete Eindringtiefe des Magnetfel­ des.

Es ist klar, daß die beiden Induktionsspulen 4, 5 nicht in jedem Fall gleichzeitig und auch mit vol­ ler elektrischer Leistung betrieben werden müssen; so kann beispielsweise zunächst der leitfähige Tiegel aufgeheizt und im unteren Bereich des Tie­ gels ein flüssiges Schmelzbad erzeugt werden, in welches dann die Heizleistung direkt induktiv ein­ gekoppelt werden kann.

Wie das Diagramm gemäß Fig. 2 zeigt, ist für die untere Spule 5 der Leistungsanteil in der Charge 3 (hier Silizium) bei 500 Hz beispielsweise etwa 30%, während er bei 100 Hz etwa doppelt so hoch ist. Da die Diagramme einen unteren und einen obe­ ren Grenzwert aufzeigen, bietet sich für die Spule 5 eine Frequenz von etwa 250 Hz als günstigster Verfahrenswert an.

Claims (11)

1. Induktionstiegelofen zum Schmelzen von Halb­ leiterwerkstoffen, elektrisch nichtleitenden Werkstoffen oder deren Legierungen mit einem Tiegel aus elektrisch leitfähigem Material, beispielsweise aus Graphit, mit mindestens zwei den Tiegel umschlingenden, koaxial und übereinander angeordneten Spulen, die von Wechselströmen gespeist sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spulen von Strömen ver­ schiedener Frequenzen durchflossen sind, wo­ bei die Dicke der Seitenwand des Tiegels über seine Höhe gleich, jedoch mindestens im Be­ reich einer Spule kleiner als die Eindring­ tiefe des Magnetfeldes bemessen ist.

2. Induktionstiegelofen zum Schmelzen von Halb­ leiterwerkstoffen, elektrisch nichtleitenden Werkstoffen oder deren Legierungen mit einem Tiegel aus elektrisch leitfähigem Material, beispielsweise aus Graphit, mit mindestens zwei den Tiegel umschlingenden, koaxial und übereinander angeordneten Spulen, die von Wechselströmen gespeist sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spulen von Strömen gleicher Frequenz durchflossen sind, wobei die Dicke der Tiegelwand über seine Höhe unterschied­ lich, jedoch mindestens im Bereich einer Spu­ le als die Eindringtiefe des jeweiligen Ma­ gnetfeldes bemessen ist.

3. Induktionstiegelofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel mit einer seine Wand verstärkenden Auskleidung oder einem Innentiegel aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff, vorzugsweise Quarz­ glas versehen ist.

4. Induktionstiegelofen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Spulen angeschlossenen Stromquellen unab­ hängig voneinander arbeiten.

5. Induktionstiegelofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus elek­ trisch leitfähigem Material gebildete Tiegel im Bereich der unteren Induktionsspule eine Wandstärke aufweist, die kleiner bemessen ist als die Eindringtiefe des Magnetfeldes gemäß der Beziehung
wobei µ die Permeabi­ lität, f die Frequenz des Wechselstromes und ζ der spezifische elektrische Widerstand des aus leitfähigem Material gebildeten Tiegels ist.

6. Induktionstiegelofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung der Spule unterschiedlich bemessen ist und/oder mit unterschiedlichem Modus betrieben wird.

7. Induktionstiegelofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitfähige Tiegel im Bereich der unteren Induktionsspule eine Wandstärke aufweist, die gegenüber der Wandstärke im Bereich der oberen Spule größer bemessen ist, wobei sich vom oberen Tiegel­ rand aus in Richtung auf den Tiegelboden zu eine trichterförmige Konfiguration der Tiege­ linnenwand ergibt.

8. Induktionstiegelofen nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Außenwand des Tiegels aus mindestens zwei zylindrischen Abschnitten un­ terschiedlicher Durchmesser gebildet ist.

9. Induktionstiegelofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Außenwand des Tiegels konisch ausgebildet ist.

10. Verfahren zum Schmelzen von Halbleiterwerk­ stoffen, elektrisch nichtleitenden Werkstof­ fen oder Legierungen dieser Werkstoffe mit einem Induktionstiegel aus elektrisch leitfä­ higem Material mit mindestens zwei den Tiegel umschlingenden, übereinander angeordneten Spulen, dadurch gekennzeichnet, daß der Lei­ stungseintrag in die obere Induktionsspule zu Prozeßbeginn größer ist als der Leistungsein­ trag in die untere Spule.

11. Verfahren zum Schmelzen von Halbleiterwerk­ stoffen, elektrisch nichtleitenden Werkstof­ fen oder Legierungen dieser Werkstoffe mit einem Induktionstiegel aus elektrisch leitfä­ higem Material mit mindestens zwei den Tiegel umschlingenden, übereinander angeordneten Spulen, dadurch gekennzeichnet, daß zu Pro­ zeßbeginn der Graphittiegel aufgeheizt und die Charge durch Wärmeübertragung aufge­ schmolzen wird und zu Prozeßende die Charge selbst leitfähig und damit induktiv erhitzt wird.