DE2133863B2

DE2133863B2 - Vorrichtung zum abscheiden von halbleitermaterial aus der gasphase an der oberflaeche eines erhitzten halbleiterstabes

Info

Publication number: DE2133863B2
Application number: DE19712133863
Authority: DE
Inventors: Hans 8031 Gröbenzell Stut
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-07-07
Filing date: 1971-07-07
Publication date: 1976-11-18
Also published as: DE2133863A1; DE2153566C3; DE2153566A1; DE2153566B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden von Halbleitermaterial aus der Gasphase an der Oberfläche eines erhitzten Halbleiterstabes, der in Serie mit einer eine periodische Wechselspannung U(t) liefernden Heizspannungsquelle und einem durch eine Hilfsspannung V(t) zu steuernden und bei iedem

HJulldurchgang der von der Heizspannungsquelle gelieferten Wechselspannung U(t) in den Sperrzustand fcergehenden elektronischen Schalter zu einem Heizitromkreis zusammengefaßt ist.

Bei der Projektierung einer Vorrichtung zum elektrischen Beheizen eines sich gleichzeitig infolge eines Abscheidungsprozesses aus der Gasphase verdikkenden Halbleiterstabes, insbesondere Siliziumstabes, ist vor allem zu berücksichtigen, daß der Halbleitersiab eine fallende Temperatur-Widerstandscharakteristik und eine fallende Strom-Spannungscharakteristik aufweist und sich außerdem der Gesamtwiderstand des Stabes infolge seines Dickenwachstums sukzessive verkleinert. Thermisch gesehen steht während des Abscheidevorgangs der Halbieiterstab mit seiner Umgebung in stationärem Gleichgewicht. Im Stab wird genau so viel Wärme entwickelt als von ihm an die Umgebung abgegeben wird. Dieses stationäre Gleichgewicht ändert sich nun mit wachsendem 3tabdurchmesser derart, daß auch die zur Erzielung des Stationären Wärmehaushalts erforderliche Leistung allmählich gesteigert werden muß. Infoige der fallenden Strom-Spannungscharakteristik des Halbleiterstabs ist jedoch dabei darauf zu achten, daß die Wärmeentwick lung im Stab nicht der Wärmeableitung davonläuft. Bekanntlich geschieht dies durch eine Stabilisierung des Heizstromkreises, z. B. durch Anwendung einer sogenannten eingeprägten Heizsiromquelle.

Zur Erzielung einer konstanten Temperatur des sich verdickenden Halbleiterstabs muß man also Jie Leistungsentwicklung und die Abkühlung so miteinan der ins Gleichgewicht bringen, daß sich genau die gewünschte Stabtemperatur ergibt. Da nun bei festgehaltenem die Wärmeabgabe an die Umgebung nur noch von der Oberfläche des Siliziumstabes bestimmt wird, muß die Leistungszufuhr dem jeweiligen Ist-Durchmesser d des Stabes angepaßt werden. Da sich aber die Abscheidung verhältnismäßig langsam vollzieht und dementsprechend der Halbleiterstab nur langsam dicker wird, ist es wünschenswert, eine auf den augenblickli chen Stabdurchmesser ansprechende Regelung der Temperatur des Stabes zur Verfugung zu haben. Es muß also die Leistungszufuhr auf einen Leistungswcrl geregelt werden, der im Laufe des Verfahrens eine allmähliche Erhöhung erfährt.

Bekannte Lösungen sind in den beiden deutschen Auslegeschriften 12 21 612 und 11 84 733 beschrieben. Bei einer Vorrichtung zum Konstanthalten der Temperatur eines Trägers, auf dessen Oberfläche reinstes Halbleitermaterial durch thermische Zersetzung einer s° chemischen Verbindung des Halbleiters abgeschieden wird, wobei der Träger, der vorzugsweise aus dem abzuscheidenden Material besteht, durch direkten Stromdurchgang beheizt und in Abhängigkeit von der Temperatur des Trägers geregelt wird, ist vorgesehen, daß ein Pyrometer die Temperatur des Trägers als Istwert erfaßt und ein Regelkreis so geschaltet ist, daß die Regelung des Stromes durch einen aus dem Vergleich des Istwertes mit einem Sollwert erhaltenen Wert erfolgt. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß <« der Regelkreis den jeweils eingestellten Speisestrom unabhängig von äußeren Störeinflüssen auf einem konstanten Wert hält.

Die in der DT-AS 11 84 733 beschriebene Anordnung zur Stromversorgung eines zu beheizenden Trägers (>_s einer Anlage zur Gewinnung reinsten Halbleitermaterials durch Abscheidung aus der Gasphase entspricht Her eineranes gegebenen Definition, ohne daß nähere Einzelheiten über die Regelung des Heizstroms beschrieben sind.

Eine aus der US-PS 34 96 339 bekannte Vorrichtung zum Beheizen eines Körpers mi· temperaturabhängigem elektrischem Widerstand sieht neben dem in Reihe mit der Heizwechselspannung und dem von dieser unmittelbar zu beaufschlagenden Körper einen durch eine Hilfsspannung zu steuernden elektronischen Schalter vor, bei der der Körper i:ur Erzeugung der Hilfsspannung parallel zu einer ersten Induktionsspule und in Serie zu einer zweiten Induktionsspule gelegt ist. die die Primärseite eines Transformators bilden, und dessen Sekundärseite über einen Trmperaturkontroll- verstärker die zur Beaufschlagung der elektronischen Schalter erforderliche Hilfsspannung liefert. Das hier verwendete Verfahren sieht die Erzeugung eines Phasenwinkels zwischen den in den beiden Induktionsspulen der Primärseite fließenden Strömen vor, dergestalt, daß sich der Einfluß der beiden Primärspulen auf die Sekundärseite gerade no'üralisien. wenn der Heizstrom seinen Sollwert hat.

Die aus der US-PS 34 96 339 bekannte Anordnung gehört zu den sogenannten Phasenanschniusieuerungcn, da sie während jeder Halbwelle des Heizstroms über die elektronischen Schalter den Heizstrom neu einschalten. Weitere Vorrichtungen dieser Art sind für "ieleuchtungszwecke aus der Literaturstelle »Silicon Controlled Rectifier Manual«. 4. Auflage (1%7). S. 198. 199,205 - 207, sowie aus der US- I¹S 35 25 01 5 bekannt.

Die fallende Strom-Spannungscharaktcrisiik eines Halbleiterstabes, der sich zudem infolge des Abschei- dungsvorganges laufend verdickt und außerdem auf eine Temperatur gehalten ist, bei der ein Nachlassen der Kontrolle mit einer momentanen Steigerung der Temperatur bis zum Durchschmelzen des Halbleitersia- bes beantwortet wird, sind jedoch die bekannten Vorrichtungen nicht mehr ausreichend.

Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, eine äußerst rasch und sicher wirkende Regelung des den /u beheizenden Halbleiterstab, insbesondere Siliziumslab. durchfließenden elektrischen Stroms sicherzustellen.

Die Erfindung sieht deshalb vor daß zur Erzeugung der den elektronischen Schalter steuernden Hilfsspannung V(t) der Heizstromkreis mit einem - Gleichrichiereigenschaften aufweisenden und seinerseits ein glättendes Vicrpolglied beaufschlagenden - /weilen Stromkreis gekoppelt ist. daß ferner die von dem glättenden Vierpolglied gelieferte Gleichspannung mit der von einem Sollwertgeber gelieferten Vergleichs- Gleichspannung im Sinne einer Differenzbildung überlagert ist, daß außerdem die aus dieser Differenzbildung resultierende Spannungsdifferenz zur Steuerung eines die zu erzeugende Hilfsspannung V(i) liefernden Generators verwendet und dieser Generator derart beschaffen ist, daß der elektronische Sehalter zwischen je zwei Nulldurchgängen der Wechselspannung U(t) nach Maßgabe der den Generator steuernden Span nungsdifferenz wieder eingeschaltet wird, und daß schließlich das als Tiefpaß ausgebildete glättende V-"rpolglied mindestens die C]rundwelle der Heizwechsclspannung IJ(t) sowie mindestens die erste und die zweite Oberwelle dieser Spannung sperrt.

Die Regelung selbst erfolgt über eine Hilfs-Gleich- spannung G. Dieser Weg wird deshalb bei der Anordnung beschriften, weil diese Gleichspannung als eine Wertung der dem Siliziumstab zugeführten Heizleistung betrachtet werden kann. Dabei ergibt sich. daß diese Gleichspannung C proportional dem

Heizstrom ist. Es kommt also darauf an, zu erreichen, daß die Spannung G möglichst rasch den Änderungen des Heizstroms folgt.

Andererseits soll die Gleichspannung G möglichst keine Welligkeit aufweisen, da sonst eine Differenzbildung mit dem Sollwert Go zu einer flukturierenden, den Impulsgenerator steuernden Differenzspannung Δ führen würde. Dann wäre aber auch ein exakter Einsatzpunkt der den elektronischen Schalter im Heizstromkreis steuernden Impulse nicht erzielbar.

Die Gleichspannung G wird direkt vom Heizstromkreis abgeleitet. Die Laufzeit auf ihrem Weg soll möglichst klein, also das Übertragungsmaß auf diesem Weg möglichst groß werden. Man erkennt an Hand der in F i g. 1 dargestellten und noch zu beschreibenden Vorrichtung, daß der gleichrichtende Kreis II sowie die Kreise 111 und IV kaum eine Verzögerung hervorrufen, sondern daß eine der Forderung auf ein momentanes Ansprechen des Regelkreises auf eine Heizstromänderung entgegenwirkende Verzögerung ausschließlich durch das glättende Glied 7 vermittelt wird. Aus diesem Grund und im Interesse der Vermeidung einer merklichen Welligkeit von G empfiehlt sich statt eines oder mehrerer /?C-Gliedcr als glättende Vierpole, die bei der Besprechung von F i g. 2 beschriebene versteilerte Siebschaltung zu verwenden.

Auch der Impulsgenerator IV. also die Teile 10 und 11, sollen möglichst rasch auf Änderungen von G ansprechen. Die Zeitkonstante solcher Generatoren ist jedoch im Gegensatz zu den notwendig aus Vierpolketten aufgebauten Glättungsgliedern stets vernachlässigbar klein. Unter den genannten Voraussetzungen wird eine so schnelle Regelung des Heizstroms erzielt, daß ein Zusammenwirken zwischen der Zeitkonstanten des Regelkreises und der fallenden UI-Charakteristik des Siliziumstabs und damit ein Abgleiten in den instabilen Zustand vermieden wird.

Die im folgenden beschriebene Anordnung führt jedoch dazu, daß das erhaltene G dem Mittelwert des Stroms über die halbe Periode der Spannungsquelle 2, aber nicht dem effektiven Wert des Heizstroms proportional wird. Wie man an der zuständigen Definition

Tl

für den Mittelwert und

für den Effektivwert und dem daraus resultierendem Verhältnis

erkennt wächst Im bei steigendem Ibt und damit bei steigender Heizleistung an. Es ist also eine Regelung nach Im durchaus erfolgreich. Die Tatsache, daß die Spannung G bei der an Hand von F i g. 2 beschriebenen Vorrichtung proportional zu Im und nicht zu Im wird, folgt auf Grund der Fourier-Darstellung der gleichgerichteten Spannung im Stromkreis II.

Es ist deshalb bei der eingangs definierten Vorrichtung vorgesehen, daß der Heizstrom l(t) über einen insbesondere induktiv an den Heizstromkreis gekoppelten zweiten Stromkreis mit Gleichrichtereigenschaften

.s auf ein glättendes Vierpolglied arbeitet und daß die Differenz Δ = Go-G der am Ausgang des Vierpols erhaltenen Gleichspannung G mit ihrem Sollwert Go zur Steuerung eines Generators für die Hilfsspannung V(t) derart dient, daß die Hilfsspannung V(t) um so früher ι ο eingeschaltet wird, je größer die Differenz Δ ist.

Ein Beispiel für eine Vorrichtung gemäß der Erfindung wird an Hand der Fig. 1 bis 4 näher beschrieben.

Die in F i g. 1 als Schaltschema dargestellte Vorrich-

is tung besteht aus dem Heizstromkreis I, den zur Erzeugung der Gleichspannungsdifferenz Δ dienenden Stromkreisen Il und III sowie dem zur Erzeugung der Hilfsspannung Verdienenden Kreis IV.

Der Heizstromkreis I setzt sich zusammen aus einer Wechse'spannungsquelle 2, dem elektronischen Schalter 3, der Primärwicklung eines Stromwandlers 4 und dem zu erhitzenden Halbleiterstab 1 einschließlich der erforderlichen leitenden Verbindungen. Die Wechselspannungsquelle 2 wird bevorzugt von der Sekundärwicklung eines an Netzspannung (f — 50 Hz) liegenden Transformators gebildet; sie liefert unmittelbar den Heizstrom fürd^n Siliziumstab 1.

Der elektronische Schalter 3 besitzt neben den den Heizstrom führenden Zuleitungen eine Steuer- oder Zündelektrode und wird beispielsweise durch eine Thyratronröhre oder durch einen elektronischen Halbleiterschalter, insbesondere Thyristor, Triac oder Schalttransistor realisiert. Es ist so bemessen, daß der Heizstrom bei Abwesenheit einer Steuerspannung V(t) gesperrt wird Wird der Schalter 3 gezündet, so blockiert er bei dem folgenden Nulldurchgang der Betriebsspannung automatisch den von der Stromquelle 2 gelieferten Heizstrom. Er muß also, um wieder durchlässig zu werden, erneut gezündet werden. Diese Aufgabe hat die Hilfsspannung V(t).

Die Verbindung zwischen dem Heizstromkreis I und dem zur Erzeugung der Gleichspannung G dienenden Stromkreis II wird bevorzugt durch einen Stromwandler 4 gebildet, dessen - nur wenige Windungen aufweisende — Primärwicklung im Heizkreis I liegt. während die Sekundärseite mit hoher Windungszahl Bestandteil des Stromkreises 11 ist.

Mit Hilfe des Gleichrichters 5 und des Widerstands 6 wird aus der an der Sekundärseite des Wandlers A induzierten Wechselspannung eine pulsierende Gleich spannung erzeugt, die mittels eines Vierpols 7 geglättei wird. Am Ausgang des Vierpols erscheint die Gleichspannung G.
Unter der Voraussetzung, daß der Heizstrom in derr Kreis I seinen Sollwert hat, erhält die Gleichspannung C einen Wert, welcher mit der Sollspannung Go die Differenzspannung Δ bildet durch welche der elektroni sehe Schalter 3 über den Impulsgenerator 11 in Sollzeitpunkt in Durchlaßrichtung geschaltet wird. De; Wert Go wird aber für die Regelung konstant in einen weiteren Stromkreis 111 produziert (Sollwert). Diese Stromkreis IH besteht beispielsweise aus einen Potentiometer 8 und einer Spannungsquelle 9. Beidi Spannungen G und Go werden an den Eingang eine Gleichstromverstärkers 10 derart gelegt daß diese Verstärker von der Differenz Δ = Go— G bzw. einer z Δ proportionalen Gleichspannung Φ betrieben wire Eine entsprechende Spannung erscheint dann ar

Ausgang des Gleichstromverstärker!» 10 und steuert den Generator 11 für die Steucrspunnung V(i), die ihrerseits an den elektronischen Schalter 3 des Heizkreises 1 gelegt ist. Die Elemente 10 und 11 bilden den Stromkreis IV.

Statt eines Stromwandler;. 4 kann die Verbindung zwischen den Kreisen I und Il auch über andere bekannte Koppelelemente, z. B. einen niederohmigcn Kopplungswiderstand, vorgenommen werden.

Der Stromkreis 11 dient, wie bereits festgestellt, der Aufgabe, eine dem Effektivwert des Heizstroms möglichst proportionale Gleichspannung G zu erzeugen, der die Änderung dieses Effektivwerts möglichst rasch folgt. Zu diesem Zweck wird die Spannung G durch den tatsächlichen Heizstrom bestimmt. Am günstigsten wäre es, wenn G proportional dem Effektivwert der tatsächlichen Stärke des Heizstroms im Heizkreis I würde. Vielfach genügt es jedoch, wenn die Spannung G proportional der über die Halbperiode des Heizwechselstroms gemittelten Stromstärke gemacht wird. Dieses Ziel läßt sich rrii Hilfe der im Stromkreis II dargestellten Schaltmittel erreichen.

Der Gleichrichter 5 kann im einfachsten Fall ein Einweggleichrichter sein. Günstiger ist ein Vollweggleichrichter, der im Beispielsfall durch eine Gleichrichterbrücke gegeben ist. Der Gleichrichter arbeitel auf einen Widerstand 6, z. B. 10 Ohm, an dem dann eine pulsierende Gleichspannung auftritt. Der Vollweggleichrichler ist immer dann am Platz, wenn der elektronisciie Schalter 5 sowohl bei positiver als auch bei negativer Polarität des Stroms im Heizkreis 1 geöffnet werden soll.

Die im Widerstand 6 auftretende pulsierende Gleichspannung wird nun durch einen Vierpol 7 geglättet. Hierbei werden bevorzugt die Wechselspannungsanteile der am Widerstand 6 auftretenden pulsierenden Gleichspannung unterdrückt. Der zu verwendende Vierpol ist also dementsprechend als VieUpaßgrundkcttc ausgebildet, wobei die einzelnen aus Längsinduktivitäten und Querkapazitäten bestehenden Vierpole als T- oder .τ-Gliedcr aufgefaßt werden können. Mindestens ein Teil der vorgesehenen Längsinduktivitäten wird mit Kapazitäten überbrückt, d. h. zu in- oder Zobelschen Gliedern erweitert, um eine Versteilerung der Dämpfung im Bereich der Wechselspannungsanteile zu erreichen. Es empfiehlt sich ferner, die Vierpolkette mit einem Eingangs- und Endglied nach Zobel auszustatten.

Die einfachste Lösung für die Vierpolkette würde in einer Kettenschaltung von T- und .τ-Gliedern bestehen. die aus Ohmsehen Reihenwiderständen und Querkapazitäten aufgebaut sind. Eine solche Kette hat jedoch ein kleines Übertragungsmaß, so daß die an ihrem Ausgang erzeugte Spannung G nur langsam den Änderungen des Heizstroms folgen kann. Außerdem wäre bei Verwendung dieser Glieder in wirtschaftlich vertretbarem Umfang die verbleibende Restwelligkeit sehr groß. Deshalb ist es wesentlich günstiger, wenn die Vierpolkette als versteuerte Siebkette mit möglichst verlustfreien Vierpolen aufgebaut wird, indem eine Anzahl von Tiefpaßfiltern gleichen Wellenwiderstands in Kettenschaltung hintereinandergeschaltet werden. Durch diese Vierpolkette sollen die Grundwelle und die erste, zweite und dritte Oberwelle der Betriebsspannung U(t) unterdrückt werden.

Dieser Konzeption liegt folgender Gedanke zugrunde: Die am Widerstand 6 auftretende pulsierende Gleichspannung läßt sich als gerade Funktion durch eine Fouriersche Kosinusreihe mit konstantem Anfangsglied darstellen. Es tritt also — mit anderen Worten — eine Gleichspannungskomponente auf. Diese wird durch die Tiefpaßfilterkettc durchgelassen. Für die Grundwelle und die erste und zweite oder erste, zweite und dritte Oberwelle des im Heizkreis 1 fließenden Wechselstroms sind geeignete Tiefpaßfilter vorgesehen welche zwar die Gleichstromkomponente durchlassen die betreffenden Wellen aber aussieben. Bei der im

ίο folgenden näher zu beschreibenden Siebkette reagiert also die Ausgangsgleichspannung G auf Änderungen des Heizstroms l(t), die sich in einem Zeitraum von höchstens zwei bis drei Perioden vorher eingestellt haben. Man hat aiso — mit anderen Worten — eine

ι s praktisch augenblicklich wirkende Regelung.

Eine diesem Grundsatz entsprechende Ausführungsform ist in F i g. 2 dargestellt. Dabei wird die wohl in den meisten Fällen zutreffende Voraussetzung zugrundegelegt, daß die Spannung der Wechselspannungsquelle 2 sinusförmig ist. Der Ausgangswiderstand 6 der Gleichrichterschalti ng im Stromkreis II beträgt beispielsweise 10 Ohm, während der Wellenwiderstand Z der Vierpolkette beispielsweise auf 1 kOhm eingestellt ist. Zur Anpassung ist das Eingangsglied der Vierpolkette

;.s als Halbglied nach Zobel mit einem Ohmschen Eingangswiderstand T, von 0,8 · Z (Z= Wellenwiderstand der Glieder der Vierpolkette), einer unmittelbar darauffolgenden Längsinduktivität L₁- mit Parallelkapazität Cc sowie einer darauffolgenden Querkapazität G ausgestattet. Der Eingangskreis ist auf eine Grenzfrequenz unterhalb der Netzspannung eingestellt, unterhalb der die Frequenzen, also die Gleichspannung nach Fourier, durchgelassen werden und hat sein« Dämpfungsspitze bei der Netzfrequenz. Dieses Gliec dient somit der Anpassung und der Versteilerung dei Sperrdämpfung bei Netzfrequenz.

Der darauffolgende Vierpol der Kette ist eir normaler Tiefpaß und besieht aus einer Längsindukiivi· tat L\ und einer Querkapazität C:. Er dieni /in Dämpfung der höheren Frequenzen. Der dritte Vierpo ist aus einer Längsinduktivität Ly einer diese übcrbrük· kenden Längskapazität Gj und einer Querkapazität G so aufgebaut, daß beispielsweise die erste Harmonische z.B. 100Hz, unterdrückt wird. Das nächstfolgende Glied der Vierpolkette mit einer Längsinduktivität l._s einer diese Induktivität parallel geschalteten Kapa/itä: G und einer Querkapazität G, ist so ausgebildet, daß dit nächste Oberwelle. z.B. 150Hz. gesperrt wird. Dn< letzte Glied, gebildet aus der Parallelschaltung dei Induktivität U. der Längskapazität G₅ und den Abschlußquerwiderstand R_A = 0S ■ Z. entspricht ir seiner Dimensionierung dem Zobelschen Eingangsglied Die ganze Anordnung ist als Tiefpaßfilterkette mit ausgeprägten Polen so aufgebaut, daß Ströme mit einei Frequenz unterhalb von 40 Hz. also nach Fouriei auftretender Gleichstrom, praktisch dämpfungslos dit Kette passiert, während die Netzfrequenz und all« höheren Frequenzen, insbesondere die erste, zweite usw. Oberwelle, ausgesiebt werden.

Zu bemerken ist noch, daß die Filterkeite 7 auch aul andere Weise ausgebildet werden kann. Beispielsweise kann man auch die Grundwelle heraussieben und übei ein entsprechend dimensioniertes /?C-Glied am Aus gang glätten.

Die Steilheit der Vierpolkette ist im Interesse einet hohen Übertragungsgeschwindigkeit beschränkt, wie auch das obige Beispiel klar zu erkennen gibt. Im allgemeinen genügt es. Pole nur für die erste, zweite

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dritte oder noch zusätzlich vierte Oberwelle und die Grundwelle vorzusehen. Im Beispiel nach F i g. 2 ist die Vierpolkette so ausgebildet, daß lediglich die vorhandene Gleichstromkomponente zur Verfügung steht. Diese ist, wie man leicht erkennt, propotional dem Mittelwert des Heizwechselstroms, gemessen über eine Halbperiode der Spannung der Wechselspannungsquelle 2 im Heizkreis.

Am Ausgang des Vierpols 7 erscheint, wie bereits öfter erwähnt, die Gleichspannung G. Diese wird mit der gleichzeitig erzeugten Gleichspannung Go an den Eingang eines Differenzverstärkers oder Regelverstärkers 10 gelegt. Man kann aber auch die Differenz der beiden Gleichspannungen G und Go über eine Brücke erzeugen und diese dann an einen Gleichspannungsverstärker 10 anlegen. Schließlich besteht die Möglichkeit, die Gleichspannung A ohne Verstärkung zur Erzeugung der Impulse heranzuziehen. Der Differenz- oder Regelverstärker 10 ist ein Gleichspannungsverstärker üblicher Bauart, wie er beispielsweise in Regelsystemen verwendet wird. Am Ausgang erscheint die Spannung Φ = ιχ ■ Δ, wobei α normalerweise größer als 1 ist.

Der Impulsgenerator 11 wird entweder durch die Spannung Δ oder durch die verstärkte Spannung Φ gesteuert oder betrieben. Die von ihm abgegebenen Spannungsimpulse V(t) liegen zwischen der Steueroder Zündelektrode des elektronischen Schalters und dessen Ein- bzw. Ausgang.

Dabei ist Sorge zu tragen, daß der die Spannung V(t) führende Stromkreis den Schalter 3 bei gesperrtem Zustand dieses Schalters nicht kurzschließen kann bzw. dessen Übergang in den Sperrzustand beim Nulldurchgang der Heizspannung LJ(t)verhindert.

Eine einfache Anordnung ist in Fig. 3 und 4 dargestellt. Die Gleichspannung Δ bzw. Φ lädt über einen Widerstand 21 den Kondensator 22 auf. Überschreitet die Spannung dieses Kondensators einen bestimmten Wert, so folgt eine Entladung über eine Glimmentlad'jngsstrecke 23. Im Entladestromkreis befindet sich die Primärwicklung eines Übertragers 24 mit zwei Sekundärwicklungen. Die eine Sekundärwicklung 24a arbeitet auf den elektronischen Schaller 3. Dieser wird gezündet, sobald der Kondensator 22 entladen wird. Die andere Sekundärwicklung 24b arbeitet auf die eine Steuerelektrode des im folgenden Absatz erwähnten Schalters S. derart, daß der den Kreis schließende Schaller S bei der Entladung von 22 unterbrochen wird.

Zum Anlegen der Spannung J bzw. Φ an den Kondensator 22 dient ein Schalter S. Dieser besteht aus einem mit zwei getrennten Steuerelektroden versehenen Thyristor, also einer pnpn-Schaltdiode, deren beide mittlere Zonen mit je einer Steuerelektrode versehen sind. Das Einschalten des Schalters 5 erfolgt über Impulse, die synchron zu den Nulldurchgängen der Wechselspannung U(t) im Heizkreis auftreten. Zu diesem Zweck ist eine zur Betriebswechselspannungsquelle 2 im Heizkreis I synchrone Wechselspannungsquelle 2' vorgesehen, die über einen Zweiwegegleichrichter 26 und einen Ohmschen Widerstand 27 eine pulsierende Wechselspannung erzeugt, die durch ein Differenzierelement, z. B. einen Kondensator 28, differenziert und auf einen Übertrager 29 arbeitet. Die Sekundärwicklung des Übertragers 29 ist an eine der beiden Sieuerelektroden des Schalters S derart angeschlossen, daß die dort auftretenden Spannungsimpulse den Schalter 5 für den Ladestrom durchlässig machen. Die gleichgerichtete Spannung am Widerstand 27 hat nämlich eine Unstetigkeitsstelle ihrer ersten Ableitung, nach der Zeit / in Zeitpunkten, die mit dem Nulldurchgang der Spannung U(t) im Heizkreis I zusammenfallen. Diese Unstetigkeitsstellen bedingen das Auftreten steiler Spannungsimpulse an der Sekundärseite des Übertragers 29. Diese Impulse werden auf die zweite Steuerelektrode des Schalters 5 übertragen. Sie werden so gepolt, daß sie den Schalter S für den Ladestrom undurchlässig machen. Infolgedessen wird der Schalter S für den Ladestrom bei jedem Nulldurchgang der Heizspannung U(t) eingeschaltet und bei jeder Entladung des Kondensators 22 ausgeschaltet.

Die in F i g. 1 dargestelltt Vorrichtung ist zunächst für den Betrieb mit einphasigem Wechselstrom gedacht. Das in dieser Anordnung verkörperte Prinzip läßt aber ohne weiteres die Anwendung auf mehrphasigen Strom zu. Dies wird an Hand der Fig.5 skizziert. Eine dreiphasige Wechselspannung wird über einen Dreiphasentransfo mator30zur Verfügung gestellt. Jeder Phase ist an de,· Sekundärseite dieses Transformators ein Stromkreis zugeordnet. Diese sind den Phasen entsprechend mit Va, Vb. Vc bezeichnet. Jedem dieser Stromkreise ist ein elektronischer Schalter entsprechend dem elektronischen Schalter 3 der Anordnung gemäß F i g. 1 zugeordnet. Diese Schalter sind mit 3a. 3b 3c bezeichnet. Ihre Steuerelektroden werden von individuellen Spannungen V_a(t) V₁Jt) und VJt) betrieben. Diese werden über individuelle Stromkreise IIa IHa, IVa. 116. \\\b, Wb. Wc. IHc, IVc erzeugt, die entsprechend den Ausführungen zu F i g. 1 -4 ausgebildet sind. Zu diesem Zweck werden die in den Kreiser Va. Vb. Vc pulsierenden Ströme für sich abgetastet wozu entsprechende, in der Figur nicht dargestellte Stromwandler dienen können. Die Kreise Va. Vb. Vc sind durch die Primärspulen dreier Übertrager 31a, 31Zi 31c abgeschlossen. Die auf der Sekundärseite diesel Übertrager aultretenden Spannungen werden iibei Zweiweggleichrichter 32a. 326. 32c gleichgerichtet unc addiert. Sie dienen zur Beaufschlagung des Sili/iumstabes.

Eine weitere Ausführung des Impulsgenerator 11 zeigt Fig. 6. Eine mit der Heizspannung synchrone Wechselspannung wird durch den Transformator 61 au einen geeigneten Wert transformiert und anschließenc in der Gleichrichterbrückenschaltung 62 gleichgerichtet. Als Vcrsorungsspannung steht somit eine 100-Hz-Halbwellenspannung zur Verfügung. Diese Spannuni liegt an einem tfC-Glied, das durch den Kondensator 63 den Stabilisierungs- und Begrenzungswiderstand 64 unc dem Transistor 65 gebildet wird. Je nach der Höhe dei der Basis des Transistors zugeführten Steuerspannung die ja die Differenzspannung Δ bei Φ ist, ändert sich dei Aussteuerungszustand des Transistors 65 und damit die Zeitkonstante des flC-Gliedes. Die Durchschaltspan nung des nachgeschalteten Triggerelementes 67. ζ. Β Glimmentladungsstrecke, Transistortrigger od. dgl. kann dadurch zu einem Zeitpunkt innerhalb einei Halbwelle erreicht werden, der der Größe dei Steuerspannung proportional ist. Der in Reihe mit den Übertrager 68 an die Versorgungsspannung angelegte Hilfsthynstor 67 wird zum gleichen Zeitpunkt durchge schaItct wodurch die Versorgungsspannung V(t) übei den Übertrager 68 auf die Zündelektrode des elektroni sehen Schalters 3 im Heizstromkreis 1 geschaltet wird Am Ende einer jeden Halbwelle wird der Hilfsthyristoi 67 gesperrt, so daß mit jeder Halbwelle der Heizwech selspannung der elektronische Schalter 3 zum zu.

Stabilisierung des Heizslromkrcises erforderlichen Zeitpunkt durchgcschaltet wird.

Besteht die Heizeinrichtung aus einer mehrphasigen Wechselspannung, kann diese Anordnung in jede Phase der mehrphasigen Wechselspannung geschaltet werden.

Es genügt aber auch eine Anordnung in eine Phase zu schalten, wobei die für die einzelnen Phasen erforderlichen, zeitlich gegeneinander verschobenen Zündimpulse über entsprechend ausgelegte Verstärker erzeugt werden.

Hierzu 2 Wall Zeichnungen

Claims

21 33 Patentansprüche;

1. Vorrichtung zum Abscheiden von Halbleitermaterial aus der Gasphase an der Oberfläche eines erhitzten Halbleiterstabes, der in Serie mit einer eine periodische Wechselspannung liefernden Heizspannungsquelle und einem durch eine Hilfsspannung zu steuernden und bei jedem Nulldurchgang der von der Heizspannungsquelle gelieferten Wechselspan- ι ο nung in den Sperrzustand übergehenden elektronischen Schalter zu einem Heizstromkreis zusammengefaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der den elektronischen Schalter (3) steuernden Hilfsspannung V(t) der Heizstromkreis (I) mit einem — Gleichrichterelgenschaften aufweisenden und seinerseits ein glättendes Vierpolglied beaufschlagenden - zweiten Stromkreis (II) gekop pelt ist, daß ferner die von dem glättenden Vierpolglied (7) gelieferte Gleichspannung mit der von einem Sollwertgeber (III) gelieferten Vergleichs-Gleichspannung im Sinne einer Differenzbildung überlagert ist, daß außerdem die aus dieser Differenzbildung resultierende Spannungsdifferenz zur Steuerung eines die zu erzeugende Hilfsgleichspannung V(t)liefernden Generators (11) verwendet und dieser Generator (11) derart beschaffen ist, daß der elektronische Schalter zwischen je zwei Nulldurchgängen der Wechselspannung U(t) nach Maßgabe der den Generator (11) steuernden Spannungsdifferenz wieder eingeschaltet wird, und daß schließlich das als Tiefpaß ausgebildete glättende Vierpolglied (7) mindestens die Grundwelle der Heizwechselspannung U(t) sowie mindestens die erste und die zweite Oberwelle dieser Spannung sperrt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalte)· aus einem Thyristor oder einem Triac oder einem Transistorschalter oder einer Thyratron röhre besieht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizstromkreis 1 mit dem gleichrichtenden Kreis II über einen Stromwandler (4) gekoppelt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der im Stromkreis Il fließende Strom über einen Vollweggleichrichter (5) geführt ist und dieser Vollweggleichrichter durch einen Widerstand (6), z. B. von 10 Ohm, ausgangsseitig abgeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung des Vierpolfilters an den Ausgang des Stromkreises II mit gleichrichtenden Eigenschaften über ein sogenanntes Zobelsches Halbglied erfolgt, das auf eine Folge von Tiefpaßfiltern in Kettenschaltung arbeitet, deren Resonanzfrequenz sukzessive der auszusiebenden Grundwelle, der auszusiebenden ersten Oberwelle, der auszusiebenden zweiten Oberwelle usw. entspricht.

6. Vorrichtung nach Anspruch I oder 5, dadurch (>o gekennzeichnet, daß am Ausgang des Vierpolfilters (7) ebenfalls ein Halbglied nach Zobel vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die am Ausgang des ⁽'5 Vierpolfilters (7) erscheinende Gleichspannung G mit der in einem Hilfsstromkreis erzeugten Gleichspannung G₀ unter Entstehung ihrer Differenz Δ an einen Gleichstromverstärker, insbesondere Regel verstärker (10), gelegt ist an dessen Ausgang eine verstärkte, der Differenz Δ proportionale Gleichspannung Φ erscheint

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsdifferenz Δ bzw. ihr durch Verstärkung erhaltener Wert Δ zur Aufladung eines Kondensators (22) über einen Ladewiderstand (21) dient und daß zur Erzeugung der Impulse der Steuerspannung V(t) dieser Kondensator (22) über eine auf eine definierte Spannung ansprechende Entladestrecke (23), insbesondere eine Glimmstrecke oder Transistortrigger, entladen wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladespannung Δ bzw. Φ über einen Schalter 5 zugeführt wird, daß dieser Schalter S so gesteuert ist, daß gleichzeitig mit dem Nulldurchgang der Heizwechselspannung U(t)d\e Ladespannung an den Ladekondensator (22) gelegt ist und daß andererseits diese Ladespannung mit dem Eintritt der Entladung des Kondensators (22) über die Entladestrecke (23) wieder abgeschaltet wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter SaIs pnpn-Halbleiterdiode mit je einer Steuerelektrode an je eine der beiden mittleren Zonen ausgebildet ist und daß impulserzeugende Mittel vorgesehen sind, welche an die eine dieser Steuerelektroden Impulse legen, die mit dem Nulldurchgang der Heizwechselspannung U(t) zeitlich verbunden sind, während die andere Steuerelektrode mit Impulsen beaufschlagt wird, die synchron zu den Impulsen der Spannung V^ an den elektronischen Schalter (3) im Heizkreis I sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Entladekreis des Ladekondensators (22) ein Übertrager (24) mit getrennten Ausgängen (24.7, 24b) vorgesehen ist, wobei der eine dieser beiden Ausgänge zur Steuerung des elektronischen Schalters (3) im Heizstromkreis, der andere (24b) zur Steuerung des Potentials der einen mittleren Zone der pnpn-Diode im Ladestromkreis des Kondensators (22) vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Heizwechselspannung U(I) synchrone Hilfswechselspannung über einen Vollweggleichrichter (26) auf einen Abschlußwiderstand (27) und eine diesem Abschlußwiderstand (27) parallele Primärwicklung eines Übertragers (29) arbeitet und daß zwischen dem Ohmschen Ausgangswiderstand (27) und der Primärwicklung des Übertragers (29) ein Differenzierglied (28a, 280,), insbesondere ein Kondensator, eingeschaltet ist, und daß schließlich die an der Sekundärseite des Übertragers (29) auftretende Spannung zur Beeinflussung des Potentials der zweiten mittleren Zone der pnpn-Diode im Ladestromkreis des Kondensators (22) dient.