DE2050766B2 - Verfahren und Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines an seinen Enden gehalterten Stabes aus Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, bei dem mit einer Heizspule, die über ein Hochfrequenzkabel mit einem Hochfrequenzgenerator verbunden ist, über Hochfrequenzinduktion eine Schmelzzone des Stabes erhitzt wird, deren Volumen durch Änderung des Abstandes zwischen den beiden Stabhalterungen in Abhängigkeit von der Induktivität der Heizspule gesteuert wird, wobei diese Induktivität abhängt von der induktiven Kopplung mit dem Schmelzzonenvolumen und sich mit einer Änderung des Schmelzzonenvolumens ändert.

Ein solches Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung sind bekannt und beispielsweise in der deutschen Patentschrift 1153 903 beschrieben. Der eigentliche technische Vorgang des Zonenschmelzens besteht dabei darin, daß eine Heizspule um einen Halbleiterstab in seiner Längsrichtung bewegt wird. Im Bereich der Heizspule schmilzt das Halbleitermaterial durch induktive Erhitzung. Durch die Bewegung der Heizspule, durch das damit verbundene Wandern der Schmelzzone mit dem anschließenden Erstarren des Halbleitermaterials erreicht man eine Umwandlung des Stabes von polykristallinem in einkristallines Material, ferner eine Reinigung des Materials, da Fremdstoffe mit der Schmelzzone wandern, und eine Beeinflussung der Stabdicke.

Was die Beeinflussung der Stabdicke betrifft, so sind in erster Linie dafür maßgebend die Größe und die Form des schmelzflüssigen Volumens. Es besteht damit zur Einflußnahme zum einen die Möglichkeit,

ίο die Zufuhr der Hochfrequenzenergie zu steuern, zum anderen die Möglichkeit, den Abstand der beiden Halterungen des Stabes zu steuern und damit das schmelzflüssige Volumen zu strecken oder zu stauchen.

Aus der obenerwähnten Patentschrift ist es bekannt, zur Herstellung eines einkristallinen Halbleiterstabes definierter, d. h. in einem gewünschten Bereich gleichbleibender Dicke über einen Mechanismus den Abstand der beiden Stabhalterungen zu steuern. Dabei gilt als Kriterium für diese Steuerung die Größe des schmelzflüssigen Volumens. Diesss Volumen ist induktiv gekoppelt mit der Heizspule und beeinflußt deren Selbstinduktion Die Heizspule bildet mit einem Kondensator einen Sekundären N zu einem Primärkreis, der sich im Hochfrequenzgenerator befindet. Zwischen Primärkreis und Sekundärkreis liegt ein Hochfrequenzkabel, das die Heizleistung überträgt. Beide Kreise sind gegeneinander verstimmt, d. h. der Arbeitspunkt liegt auf der anstcigenden Flanke der Durchlaßkurve der Gesamtanordnung. Durch eine Änderung der Selbstinduktion der Heizspule ändert sich diese Verstimmung, die sich in einer Änderung der Belastung der Generatorröhre und damit in einer Änderung des Anodenstromes äußert. Da nun auf diese Weise einer bestimmten Größe des Anodenstromes eine bestimmte Dicke des erstarrenden Halbleiterstabes entspricht, wird die Größe des Anodenstromes als Kriterium für die Steuerung benutzt. Damit ist ein Regelkreis geschlos-

sen, dessen Regelgröße das schmelzflüssige Volumen bzw. die Stabdicke, dessen Stellgröße der Halterungsabstand und dessen Meßgröße der Anodenstrom der Generatorröhre ist.

Nachteilig an diesen bekannten Verfahren ist, daß das Hochfrequenzkabel einen relativ großen Anteil an Blindstrom übertragen muß.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, nicht nur diesen Nachteil zu beseitigen, sondern auch das Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung für einen Regelmechanismus einfacher zu gestalten.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren und bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Induktivität der Heizspule die Frequenz des Hochfrequenzgenerators bestimmt, daß diese Frequenz als Kriterium für die Steuerung dient und daß das Hochfrequenzkabel angepaßt betrieben wird.

Der große Vorteil gegenüber dem erwähnten Stand der Technik besteht darin, daß zum Bilden eines Kriteriums für ein Abweichen des schmelzflüssigen Volumens vom Sollvolumen nicht mehr ein Abweichen von einer bereits vorhandenen Verstimmung zweier Kreise benötigt wird, die zu einer erheblichen Belastung des Hochfrequenzkabels mit Blindleistung führt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren genügt eine einfache Frequenzmessung, die die Abweichung von einer Sollfrequenz als Kriterium für die VoIu-

menabweichung bildet. Dabei ist das Hochfrequenzkabel für die SuUfrequenz so abgestimmt, daß es möglichst nur Wirkleistung übertragen muß. Das ergibt nicht nur eine geringere Kabelbelastung, sondern auch eine Erhöhung der Betriebssicherheit des verwendeten Hochfrequenzgenerators.

An Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels soll das Verfahren und eine Vorrichtung gemäß der Erfindung näher erläutert werden. Ein Halbleiterstab 1 ist an seinen beiden Enden in zwei Halterungen 3 und 4 eingespannt. Die Halterung 4 ist mechanisch mit einem Mechanismus 5 verbunden, der die Halterung 4 gegen die Halterung 3 in beiden Richtungen verschieben kann. Das Auslösesignal für den Mechanismus S wird dabei von einem Regler 6 geliefert. Der Stab 1 ist in seiner Schmelzzone von einer Heizspule 7 umgeben, der ein Kondensator 8 parallel geschaltet ist.

Die Heizenergie wird von einem Hochfrequenzgenerator geliefert, der in an sich bekannter Weise aus einer Röhre 9 mit Anorde, Gitter und Katode und aus einem Schwingkreis am Ausgang der Röhre mit Rückkopplung zu ihrem Eingang besteht. Dieser Schwingkreis besteht aus einer Spule Ii und aus einem parallel dazu liegenden variablen Kondensator 10. über ein Hochfrequenzkabel 12, vorzugsweise als Koaxialkabel ausgebildet, liegt die Heizspule 7 einem Teil der Spule 11 parallel. Der Außenleiter und damit eine Anzapfung der Spule 11 ist mit Masse verbunden. Der eine Verbindungspunkt des Kondensators 10 mit der Spule 11 ist mit der Anode, der andere mit dem Innenleiter des Hochfrequenzkabels 12 und über einen Kondensator 13 mit dem Gitter der Röhre 9 verbunden. Zwischen Gitter und Kathode liegt ein ohmscher Widerstand 14. Die Anode erhält über eine Spule 16 eine Anodenspannung U_A. Die Kathode liegt auf Masse. Induktiv gekoppelt mit der Spule 11 ist eine Spule 15. die zum Eingang des Reglers 6 führt.

Der Hochfrequenzgenerator schwingt auf einer Frequenz, die von der Größe seiner Blindwiderstände bestimmt wird. Einen Teil der Induktivität liefert die Hochfrequenzspule 7, deren Selbstinduktion, wie oben beschrieben, von der Größe des von ihr umgebenen schmelzflüssigen Volumens abhängt.

ίο Somit beeinflußt die Größe des schmelzflüssigen Volumens die Frequenz des Hochfrequenzgenerators. Diese Frequenz wird über die Spule 15 gemessen und zu Regelzwecken dem Regler 6 zugeführt. Dieser formt ein Steuersignal für den Mechanismus 5, der über eine Abstandsverringerung bzw. Abstandsvergrößerung zwischen den beiden Stabhalterungen 3 und 4 das schnelzflüssige Volumen strecken bzw. stauchen kann und damit die Frequenz wieder auf einen eingestellten Sollwert bringt, der dem gewünschten Volumen entspricht. Das Hochfrequenzkabel 12 ist weitgehend angepaßt betrieben und erfährt dadurch keine unnötige Belastung. Über eine Änderung der Anodenspannung U_A läßt sich die der Schmelzzone zugeführte Energie steuern.

Mit dem Kondensator 8 des Ausführungsbeispiels wird die Induktivität der Heizspule 7 den Erfordernissen des Hochfrequenzgenerators angepaßt. Das läßt sich auch dadurch erreichen, daß die elektrische Länge des Hochfrequenzkabels 12 zur Transformation der Induktivität der Heizspule 7 ausgenutzt wird. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der Hochfrequenzgenerator mit der Heizspule 7 bewegt wird, d. h. mit ihr eine bauliche Einheit bildet. Dadurch wird praktisch die Länge des Hochfrequenzkabels zu Null. Dem Hochfrequenzgenerator braucht dann über ein bewegliches Kabel nur noch Gleichstromleistung zugeführt zu werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines an seinen Enden gehalterten Stabes aus Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, bei dem mit einer Heizspule, die über ein Hochfrequenzkabel mit einem Hochfrequenzgenerator verbunden ist, über Hochfrequenzinduktion eine Schmelzzone des Stabes erhitzt wird, deren Volumen durch Änderung des Abstandes zwischen den beiden Stabhalterungen in Abhängigkeit von der Induktivität der Heizspule gesteuert wird, wobei diese Induktivität abhängt von der induktiven Kopplung mit dem Schmelzzonenvolumen und sich mit einer Änderung des Schmelzzonenvolumens ändert, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität der Heizspule (7) die Frequenz des Hochfrequenzgenerators bestimmt, daß diese Frequenz als Kriterium füi die Steuerung dient und daß das Hochfrequenzkabel (12) angepaßt betrieben wird.

2. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator mit der Heizspule (7) eine bauliche Einheit bildet, so daß die Länge des Hochfrequenzkabels (12) beliebig klein ist.

3. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Hochfrequenzkabels (12) so bemessen ist. daß die Induktivität der Heizspule

(7) in den Schwingkreis des Hochfrequenzgenerators transformiert wird.

4. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch geKennzeichnet. daß parallel zur Heizspule (7) ein Kondensator

(8) liegt, der die wirksame Induktivität der Heizspule (7) an den Hochfrequenzgenerator anpaßt.