DE2133863C3 - Vorrichtung zum Abscheiden von Halbleitermaterial aus der Gasphase an der Oberfläche eines erhitzten Halbleiterstabes - Google Patents
Vorrichtung zum Abscheiden von Halbleitermaterial aus der Gasphase an der Oberfläche eines erhitzten HalbleiterstabesInfo
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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 jedem
slulldurchgang der von der Heizspannungsquelle
belieferten Wechselspannung U(t) in den Sperrzustand übergehenden elektronischen Schalter zu einem Heizstromkreis
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 Halbleiterstab eine fallende Temperatur-Widerstandscharakte-istik
und eine fallende Strom-Spannungscharakteristik aufweist und sich außerdem der Gesamtwiderstand des
Stabes infolge seines Dickenwachstums sukzessive verkleinert. Thermisch gesehen steht während des
Abscheidevorgangn der Halbleiterstab mit seiner Umgebung in stationärem Gleichgewicht. Im Stab wird
genau so viel Wärme entwickelt als von ihm an die Umgebung abgegeben wird. Dieses stationäre Gleichgev.icht
ändert sich nun mit wachsendem Stabdurchmesser derart, daß auch die zur Frzielung des
stationären Wärmehaushalts erforderliche Leistung allmählich gesteigert werden muß. Infolge der fallenden
Strom-Spannungscharakteribtik des Halbleiterstabs ist jedoch dabei darauf zu achten, daß die Wärmeentwicklung
im Stab nicht der Wärmeableitung davonläuft. Bekanntlich geschieht dies durch eine Stabilisierung des
Heizstromkreises, z. B. durch Anwendung einer sogenannten eingeprägten Heizstromquelle.
Zur Erzielung einer konstanten Temperatur des sich verdickenden Halbleiterstabs muß man also die Leistungsentwicklung
und die Abkühlung so miteinander ins Gleichgewicht bringen, daß sich genau die gewünschte
Stabtemperatur ergibt. Da nun bei festgehaltener Stabtemperatur die Wärmeabgabe an die Umgebung
nur noch von der Oberfläche des Siliziumstabes bestimmt wird, muß die Leistungszufuhr dem jeweiligen
Ist-Durchmesser ddes 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 äugenblicklichen
Stabdurchmesser ansprechende Regelung der Temperatur des Stabes zur Verfügung zu haben. Es
muß also die Leistungszufuhr auf einen Leistungswert 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 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 einer Anlage zur Gewinnung reinsten Halbleitermaterials
durch Abscheidung aus der Gasphase entspricht der eingangs 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 mit 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 zur 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 Temperaturkontrollverstärker 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 neutralisiert, wenn der
Heizstrom seinen Sollwert hat.
Die aus der US-PS 34 96 339 bekannte Anordnung gehört zu den sogenannten Phasenanschnittsteuerungen,
da sie während jeder Halbwelle des Heizstroms über die elektronischen Schalter den Heizstrom neu
einschalten. Weitere Vorrichtungen dieser Art sind für Beleuchtungszwecke aus der Literaturstelle »Silicon
Controlled Rectifier Manual«, 4. Auflage (1967), S. 198. 199,205 - 207, sowie aus der US-PS 35 25 015 bekannt.
Die fallende Strom-Spannungscharakteristik eines Halbleiterstabes, der sich zudem infolge des Abscheidungsvorganges
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 Halbleiterstabes
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 zu
beheizenden Halbleiterstab, insbesondere Siliziumstab, durchfließenden elektrischen Stroms sicherzustellen.
Die Erfindung sieht deshalb vor, daß zur Erzeugung der den elektronischen Schalter steuernden Hilfsspannung
V(t) der Heizstromkreis mit einem - Gleichrichtereigenschaften aufweisenden und seinerseits ein
glättendes Vierpolglied beaufschlagenden - zweiten 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(t) liefernden
Generators verwendet und dieser Generator derart beschaffen ist, daß der elektronische Schalter zwischen
je zwei Nulldurchgängen der Wechselspannung U(I nach Maßgabe der den Generator steuernden Span
nungsdifferenz wieder eingeschaltet wird, und dal: schließlich das als Tiefpaß ausgebildete glättende
Vierpolglied mindestens die Grundwelle der Heizwech selspannung U(t) sowie mindestens die erste und di<
zweite Oberwelle dieser Spannung sperrt.
Die Regelung selbst erfolgt über eine Hilfs-Gleich
spannung G. Dieser Weg wird deshalb bei de Anordnung beschritten, weil diese Gleichspannung al
eine Wertung der ' dem Siliziumstab zugeführtei Heizleistung betrachtet werden kann. Dabei ergibt siel
daß diese Gleichspannung G proportional der
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 fluktuierenden, den Impulsgenerator steuernden Differenzspannung Δ führen
würde. Dann wäre aber auch ein exakter Einsatzpunkt der den elektronischen Schalter im
Heizstromkreis steuernden Impulse nicht erzielbar. ι ο
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 Fig. 1 dargestellten und noch zu beschreibenden Vorrichtung, daß der gleichrichtende Kreis II sowie die
Kreise III 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 ÄC-Glieder 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 Ul-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
772
/df
für den Mittelwert und
so
1Bf/
für den Effeklivwert und dom daraus resultierendem
Verhältnis
h/i
(10
erkennt, wächst Im bei steigendem Iw und damit bei
steigender Heizleistung nn. Es Ist also eine Regelung
nach Im durehnus erfolgreich. Die Tatsache, daß die
Spannung G bei der an Hund von FI 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
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 eingeschaltet wird, je größer die Differenz Δ ist.
Ein Beispiel für eine Vorrichtung gemäß der Erfindung wird an Hand der F i g. 1 bis 4 näher
beschrieben.
Die in F i g. 1 als Schaltschema dargestellte Vorrichtung besteht aus dem Heizstromkreis 1, den zur
Erzeugung der Gleichspannungsdifferenz Δ dienenden Stromkreisen H und IH sowie dem zur Erzeugung der
Hilfsspannung Verdienenden Kreis IV.
Der Heizstromkreis I setzt sich zusammen aus einer Wechselspannungsquelle 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 für den Siliziumstab 1.
Der elektronische Schalter 3 besitzt neben den der Heizstrom führenden Zuleitungen eine Steuer- odei
Zündelektrode und wird beispielsweise durch eine Thyratronröhi e oder durch einen elektronischen Halbleiterschalter,
insbesondere Thyristor, Triac odei Schalttransistor realisiert. Es ist so bemessen, daß dei
Heizstrom bei Abwesenheit einer Steuerspannung Vft gesperrt wird. Wird der Schalter 3 gezündet, se
blockiert er bei dem folgenden Nulldurchgang dei Betriebsspannung automatisch den von der Stromquelle
2 gelieferten Heizstrom. Er muß also, um wiedei durchlässig zu werden, erneut gezündet werden. Diese
Aufgabe hat die Hilfsspannung V(t).
Die Verbindung zwischen dem Heizstromkreis I unc
dem zur Erzeugung der Gleichspannung G dienender Stromkreis Il wird bevorzugt durch einen Stromwand
lcr 4 gebildet, dessen - nur wenige Windunger aufweisende - Primärwicklung im Hcizkrcis I liegt
während die Sckundärseitc mit hoher Windungszah Bestandteil des Stromkreises 11 ist.
Mit Hilfe des Gleichrichters 5 und des Widerstands ( wird aus der an der Sckundürseitc des Wandlers '
induzierten Wechselspannung eine pulsierende Gleich spannung erzeugt, die mittels eines Vierpols 7 geglülte
wird. Am Ausgang des Vierpols erscheint die Gleich spannung G.
Unter der Voraussetzung, daß der Heizstrom in den Kreis I seinen Sollwert hat, erhöh die Gleichspannung C
einen Wert, welcher mit der Sollspannung Go du
Differenzspannung Δ bildet, durch welche der elektroni
sehe Schalter 3 über den Impulsgenerator 11 in Sollzcitpunkt in Durchlaßrichtung geschaltet wird. De
Wert G0 wird aber für die Regelung konstant in einen
weiteren Stromkreis 111 produziert (Sollwert). Diese
Stromkreis 111 besteht beispielsweise uus einen Potentiometer 8 und einer Spannungsquclle 9. Beldi
Spannungen C und Go werden im den Eingang eine
GlcichstromversUlrkers 10 derurt gelegt, daß diese
Verstarker von der Differenz Δ - Go- G bzw. einer zi
Δ proportionalen Gleichspannung Φ betrieben wire
Mine entsprechende Spannung erscheint dann an
Ausgang des Gleichstromverstärkers 10 und steuert den Generator 11 für die Steuerspannung V(t), die ihrerseits
an den elektronischen Schalter 3 des Heizkreises' 1 gelegt ist. Die Elemente 10 und 11 bilden den Stromkreis
IV,
Statt eines Stromwandlers 4 kann die Verbindung zwischen den Kreisen 1 und 11 auch über andere
bekannte Koppelelemente, z. B. einen niederohmigen Kopplungswiderstand, vorgenommen werden.
Der Stromkreis Il 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 mit Hilfe der im Stromkreis Π 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 arbeitet
auf einen Widerstand 6, z. B. 10 Ohm, an dem dann eine pulsierende Gleichspannung auftritt. Der Vollweggleichrichter
ist immer dann am Platz, wenn der elektronische 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 Ticüpnßgrundkcue ausgebildet, wobei die einzelnen aus
Längsinduktivitäten und Querkapazitiüen bestehenden Vierpole als T- oder π-Glieder aufgefaßt werden
können. Mindestens ein Teil der vorgesehenen Längsindukiivitätcn
wird mit Kapazitäten überbrückt, d.h. zu »1· oder Zobelschcn Gliedern erweitert, um eine
Versteilerung der Dämpfung im Bereich der Wechselspannungsanlcilc
zu erreichen. Es empfiehlt sich ferner, die VierpolkeUc mit einem Eingangs· und Endglied nach
Zobel auszustatten.
Die einfachste Lösung für die Vicrpolkcltc würde in
einer Kettenschaltung von T- und --r-Gliedern bestehen.
die aus Ohmschen Reihenwiderslftnden und Querkap»·
zielen 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 wttre 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 Wellonwidcrsinnds in Kelten
schaltung hintereinandergcschaltct werden. Durch diese Vierpolkette sollen die Grundwclle und die erste, zweite
und dritte Oberwelle der Betriebsspannung U(O unterdrückt werden.
Dieser Konzeption liegt folgender Gedanke zugrunde: Die um Widerstund 6 auftretende pulsierende
Gleichspannung lüßt sich als gerade Funklion durch
eine Fouriersche Kosinusreihe mit konstantem Anfangsglied darstellen. Es tritt also — mit anderen
Worten — eine Gleichspannurigskomponente auf. Diese wird durch die Tiefpaßfilterkette 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 Stebkette reagiert
also die Ausgangsgleichspannung G auf Änderungen des Heizstroms I(t), die sich in einem Zeitraum von
höchstens zwei bis drei Perioden vorher eingestellt haben. Man hat also — mit anderen Worten — eine
praktisch augenblicklich wirkende Regelung.
Eine diesem Grundsatz entsprechende Ausführungsicrm
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 Gleichrichterschaltung
im Stromkreis Il beträgt beispielsweise 10 Ohm, während der Wellenwiderstand Z der
Vierpolkette beispielsweise auf 1 kOhm eingestellt ist. Zur Anpassung ist das Eingangsglied der Vierpolkette
als Halbglied nach Zobel mit einem Ohmschen
Eingangswiderstand Ts von 0,8 · Z (Z= Wellenwiderstand
der Glieder der Vierpolkette), einer unmittelbar darauffolgenden Längsinduktivität Lc mit Parallelkapazität
C0 sowie einer darauffolgenden Querkapazität Ci
ausgestattet. Der Eingangskreis ist auf eine Grenzfrequenz unterhalb der Netzspannung eingestellt, unterhalb
der die Frequenzen, also die Gleichspannung nach Fourier, durchgelassen werden und hat seine
Dämpfungsspitzc bei der'Netzfrequenz. Dieses Glied
dient somit der Anpassung und der Versteilerung der Sperrdämpfung bei Netzfrequenz.
Der darauffolgende Vierpol der Kette ist ein normaler Tiefpaß und besieht aus einer Längsinduktivität
/-ι und einer Querkapazität C2. Er dient zur Dämpfung der höheren Frequenzen. Der dritte Vierpol
ist aus einer Längsinduküvität /.j, einer diese überbrükkcnden
Längskapazität Cj und einer Querkapazität Q so aufgebaut, daß beispielsweise die crsie Harmonische,
z.B. 100 Hz. unterdrückt wird, uns nächstfolgende
4S Glied der Vierpolkctie mil einer Längsinduklivität Ly,
einer diese Induktivität parallel geschalteten Kapazität C'-t und einer Querkapa/iiäi C.\ ist so ausgebildet, daß die
nächste Oberwelle. /.B. 150 11/, gesperrt wird. Das lei/le Glied, gebildet aus der Parallelschaltung der
Induktivität Li, der Lilngskupazität CH und dem
Abschlußquerwidersiund /<λ·*0,8 · /, entspricht ir
seiner Dimensionierung dem /.obclschen liingangsglicd
Die ganze Anordnung ist als Tiefpnßfilterkcttc mi
ausgeprägten Polen so aufgebaut, daß Ströme mit eine
Frequenz unterhalb von 40 Hz,-also nach Four ie
auftretender Gleichstrom, praktisch dümpfungslos dti
Kelle passiert, während die Netzfrequen/ und all· höheren Frequenzen, insbesondere die erste, /weit
usw. Oberwelle, ausgesiebt werden.
do Zu bemerken ist noch, duß die FillerkcUc 7 mich im
andere Weise ausgebildet werden kann. Beispiolsweis kann man auch die Grundwclle hcriuissicbcn und übe
ein entsprechend dimensioniertes WC-Glied am Au· gang glätten.
(15 Die Steilheit der Vicrpolketic ist im Interesse eine
hohen Übertragungsgeschwindigkeit beschränkt, wi auch das obige Beispiel klar zu erkennen gibt. Ii
nllgcmeinen genügt es, Pole nur für die erste, /weil
709 027/'
ίο
dritte oder noch zusätzlich vierte Oberwelle und die Grundwelle vorzusehen. Im Beispiel nach Fig.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 ι ο
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 Gleichspannungsver- ι s
stärker 10 anlegen. Schließlich besteht die Möglichkeit, die Gleichspannung Δ 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 = α · 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 U(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 Glimmentladungsstrecke 23. Im Entladestromkreis
befindet sich die Primärwicklung eines Übertragers 24 mit zwei Sekundärwicklungen. Die eine Sekundärwicklung
24a arbeitet auf den elektronischen Schalter 3. Dieser wird gezündet, sobald der Kondensator 22
entladen wird. Die andere Sekundärwicklung 24£> arbeitet auf die eine Steuerelektrode des im folgenden
Absatz erwähnten Schalters 5, derart, daß der den Kreis schließende Schalter .S' bei der Entladung von 22
unierbrochen wird.
Zum Anlegen der Spannung Δ bzw. Φ an den
Kondcnsatoi 22 dient ein Schalter 5. Dieser besteht uns
einem nut zwei getrennten Sieuerelcktroden versehenen
Thyristor, also einer pnpn-Schaltdiode, deren beide mittlere Zonen mit je einer Steuerelektrode versehen
sind. Das Einschalten des Schalters S erfolgt über Impulse, die synchron zu den Nullclurchgnngen der
Wechselspannung U(t) im Heizkreis auftreten. Zu diesem Zweck ist eine i'.ur Beiriebswechselspannungsquelle 2 im Heizkreis I synchrone Wechsclspannungsquelle 2' vorgesehen, die über einen Zweiwegegleichrichter 26 und einen Ohmschen Widerstand 27 eine fto
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 on eine der beiden Steuerelektrode)! des Schalters 5 derart
angeschienen, 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 t 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 S übertragen.
Sie werden so gepolt, daß sie den Schalter S für den Ladestrom undurchlässig machen. Infolgedessen wird
der Schalter 6" 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 dargestellte 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 Dreiphasentransformator
30 zur Verfügung gestellt. Jeder Phase ist an der 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 Va(t), V1Jt) und VJt) betrieben.
Diese werden über individuelle Stromkreise Ha IHa, IVa, 116, III6, IVo, lic, HIc, IVc erzeugt, die
entsprechend den Ausführungen zu Fig. 1 -4 ausgebildet sind. Zu diesem Zweck werden die in den Kreisen
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, 3lb
31c abgeschlossen. Die auf der Sekundärseite dieser Übertrager auftretenden Spannungen werden übet
Zweiweggleichrichter 32.7. 326, 32c gleichgerichtet und
addiert. Sie dienen zur Beaufschlagung des Siliziumstabe«.
Eine weitere Ausführung des Impulsgenerator 11 zeigt Fig. 6. Eine mit der Heizspannung synchrone
Wechselspannung wird durch den Transformator 61 aiii
einen geeigneten Wert transformiert und anschließenc in der Glcichrichterbrückcnschaltung 62 gleichgerichtet.
Als Versorungsspanniing steht somit eine 100-11/
llalbwellenspannung zur Verfügung. Diese Spannung liegt an einem KC-Glied, das durch den Kondensator 63
den Suibilisierungs- und Begrenzungswidcrstand 64 unc
dem Transistor 65 gebildet wird. ]e nach der Höhe clci
der Basis des Transistors ,zugeführten Steuerspannung die ja die Differen/spannung Δ bei Φ ist, flndert sich dei
Aussteuerungszusland des Transistors 65 und damit die ZeitkonMante des flOGIiedes. Die Durchschaltspan
nung des nachgeschalleten Triggerelementes 67, ζ. Β Glimmcntladungsstreeke, Trnnsistortrigger od. dgl.
kann dadurch zu einem Zeitpunkt innerhalb einet Halbwelle erreicht werden, der der Größe dei
Sieiierspannung proportional isi. Der in Reihe mit deir
Übertrager 68 an die Versorgungsspannung ungelegte
Htlfsthyristor 67 wird zum gleichen Zeltpunkt durchge·
schaltet, wodurch die Vorsorgungsspunnung V(t) übet
den übertrager 68 auf die Zündelektrode· des elektronl
sehen Schallers 3 im Helzstmmkrels I geschaltet wird
Am Ende einer jeden Halbwelle wird der Hllfsthyrlstoi
67 gesperrt, so daß mit Jeder Halbwelle der Heizwech selspannung der elektronische Schalter 3 zum zui
Stabilisierung des Heizstromkreises erforderlichen Zeitpunkt durchgeschaltet wird.
Besteht die Heizeinrichtung aus einer mehrphasigen Wechselspannung, kann diese Anordnung in jede Phase
der mehrphasigen Wechselspannung geschaltet werden.
<r
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 erzeug'
werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (12)
- 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 Wechselspannung 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 - Gleichrichtereigenschaften aufweisenden und seinerseits ein glättendes Vierpolglied beaufschlagenden - zweiten Stromkreis (II) gekoppelt 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 (13) 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(i) sowie mindestens die erste und die zweite Oberwelle dieser Spannung sperrt.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter aus einem Thyristor oder einem Triac oder einem Transistorschalter oder einer Thyratronröhre besteht.
- 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 11 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 I1 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 1 oder 5, dadurch 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 f>5 Vierpolfilters (7) erscheinende Gleichspannung G mit der in einem Hilfsstromkreis erzeugten Gleichspannung Go unter Entstehung ihrer Differenz Δ an einen Gleichstromverstärker, insbesondere Regelverstärker (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 Ladewidersland (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) die 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 5 als pnpn-Halbleiterdiode mit je einer Steuerelektrode an je eine der beiden mittleren Zonen ausgebildet ist und daß impi'tserzeugende 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(t)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 (24a, 24b) vorgesehen ist, wobei der eine dieser beiden Ausgänge zur Steuerung des elektronischen Schalters (3) im Heizstromkreis, der andere (246^ 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 L/^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, 286Λ 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.
Priority Applications (8)
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DE2153566A DE2153566C3 (de) | 1971-07-07 | 1971-10-27 | Vorrichtung zum elektrischen Beheizen eines sich infolge eines Abscheidungsprozesses aus der Gasphase verdickenden Halbleiterstabes |
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US00269154A US3832626A (en) | 1971-07-07 | 1972-07-05 | Device for electrically heating a semiconductor rod which is simultaneously growing due to a depositing process from the gas phase |
GB3190972A GB1400762A (en) | 1971-07-07 | 1972-07-07 | Semiconductor rod electrical heating systems for use in semi conductor rod manufacturing processes |
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