DE2141188B2

DE2141188B2 - Vorrichtung für das tiegellose Zonenschmelzen

Info

Publication number: DE2141188B2
Application number: DE2141188A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. 8000 Muenchen Keller; Hans 8031 Groebenzell Stut
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-08-17
Filing date: 1971-08-17
Publication date: 1979-01-11
Also published as: NL7208496A; DE2141188A1; FR2149483B1; DE2141188C3; JPS4829607A; FR2149483A1; US3769484A; IT963844B; GB1349106A; BE787668A; JPS5522439B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für das tiegellose Zonenschmelzen eines Stabes aus Halbleitermaterial entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs I.

Solche Vorrichtungen sind beispielsweise aus der DE-AS 1188 043 bzw. aus der DE-OS 14 44 530 bekannt. Sie v/eisen eine außerhalb des den Halbleiterstab und die ihn koaxial umgebende Induktionsheizspule aufnehmenden Behandlungsgefäßes befindliche Hochfrequenzquelle auf, die entweder ortsfest oder — was günstiger ist — parallel zur Achse des (dann ruhenden) Halbleiterstabes verschiebbar ist. Für die elektrische Verbindung zwischen dem Hochfrequenzgenerator und der Induktionsheizspule ist dann nicht nur ein Verbindungskabel, sondern auch eine elektrische Durchführung durch die Wand des Behandlungsgefäßes notwendig, die vorteilhaft als koaxiale Durchführung, y> ζ. B. nach der FR-PS 20 35 990, ausgebildet sein kann.

Die zwischen dem Hochfrequenzgenerator und dem Halbleiterstab wirksamen Schaltungsteile, nämlich das Verbindungskabel und die Durchführungen sowie die Induktior.sheizspule, bedingen aufgrund ihres nicht wi ausschließlich reellen Wechselstromwiderstandes, daß der durch die Wirkung des Feldes der Induktionsheizspule in dem Halbleiterstab induzierte elektrische Strom sowohl eine Wirkkomponente als auch eine Blindkomponente erhält. Durch das Vorhandensein der Blindkomponente wird aber der Wirkungsgrad der Heizung vermindert, so daß man bestrebt ist. die Blindkomponente möglichst klein zu machen. Hierzu schaltet man der Heizspule einen Kondensator parallel, so daß ein elektrischer Schwingkreis entsteht. Da nämlich die Blindkomponenten in erster Linie vom Induktionsbelag der den Generator und die Heizspule verbindenden Leitungen bedingt sind, wird durch eine solche Parallelkapazität der Blindwiderstand des Stromkreises und damit auch der Blindanteil des in dem Halbleiterstab induzierten Heizstromes vermindert Die Ergänzung der Heizspule zu einem Schwingkreis durch einen parallelgeschalteten Kondensator ist beispielsweise in der GB-PS 11 44 907 beschrieben.

Nun ist aber im Interesse einer optimalen Leistungsübertragung vom Hochfrequenzgenerator zur Induktionsheizspule vorteilhaft, wenn das Übertragungssystem möglichst wenig Stoßstellen aufweist und der Schwingkreiskondensator an der Heizspule liegt

Aus diesen Gründen wird gemäß der Erfindung die im Patentanspruch 1 dargestellte Vorrichtung für das tiegellose Zonenschmelzen eines Stabes aus Halbleitermaterial vorgeschlagen.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß sowohl die Induktionsheizspule als auch der Schwingkreiskondensator parallel zur Achse des Halbleiterstabes und des Schwingkreiskondensators ausgebildet ist.

Eine der Erfindung entsprechende Apparatur ist in F i g. 1 und 2 dargestellt.

In einem beispielsweise aus Quarz bestehenden zylindrischen Behvndlungsgefäß 1 ist mittels Halterungen 2 und 3 der zonenzuschmelzende Halbleiterstab 4 vertikal angeordnet. Die Halterungen des z. B. aus Silicium bestehenden Halbleiterstabes 4 sind in bekannter Weise ausgestaltet und axial gegeneinander verschiebbar. Durch den Boden oder durch den Deckel des Behandlungsgefäßes ragt die zylindrische Halterung 5 für die Induktionsheizspule 6 in das Innere des Behandlungsgefäßes. Die Achse der zylindrischen Halterung 5 ist parallel zur Achse des Halbleiterstabes 4 orientiert. Gemäß der Erfindung ist nun diese Halterung 5 entweder selbst als starrer Koaxialkondensator ausgebildet oder dieser ist im Inrjrn der Halterung 5, sich koaxial und parallel zu dieser erstreckend, angeordnet. Die Halterung 5 wird in beiden Fällen an der Durchführungsstelle 17 durch den Boden (oder den Deckel) des Behandlungsgefäßes 1 durch entsprechend abgedichtete Führungen derart gehalten, daß eine reproduzierbare axiale Verschiebung der Halterung 5 an der Durchführungsstelle 17 möglich ist, ohne daß Außenluft in das Behandlungsgefäß gelangt.

Im einfachsten Falle ist also die Halterung 5 mit dem Schwingkreiskonc/ensator identisch und besteht dann lediglich aus einem Innenleiter 7, einem rohrförmigen, massiven Kondensatordielektrikum 13 und einem Außenleiter 8. Die beiden Leiter 7 und 8 können an ihren oberen (oder unteren) Enden direkt mit den Enden der vorzugsweise einwindigen Induktionsheizspule 6 verbunden sein. Außerhalb des Behandlungsgefäßes 1 befindet sich die Anschlußstelle für die äußere Verbindungsleitung 9 zum Hochfrequenzgenerator 10, die vorteilhafterweise als Koaxialkabel ausgestaltet ist. Im Gegensatz zu dem Schwingkreiskondensator 5 ist jedoch die Zuleitung 9 biegsam und weist ein für die Kabelherstellung übliches Dielektrikum, insbesondere Polyäthylen oder Polytetrafluorethylen, auf. Die bezogene Kapazität je Meier eines solchen handelsüblichen Kabels liegt bei etwa 30 bis 100 pF.

Beim Zonenschmelzen von Halbleiterstäben, insbesondere von Siliciumstäbcn, wird im Interesse einer optimalen Heizwirkung die Frequenz des von dem

Hochfrequenzgenerator 10 gelieferten Wechselstromes auf etwa 3 bis 4 MHz eingestellt Aufgrund der bei üblichen Hochfrequenzleitungen 9 gegebenen Induktivität brauchte man zu einer wirksamen Unterdrückung der Blindkomponenten der in dem zonenzuschmelzenden Halbleiterstab induzierten Ströme eine Schwingkreiskapazität von mindestens 2OnF, insbesondere sogar von 30 bis 40 nF. Diese Kapazität soll realisiert werden, ohne daß gleichzeitig die Induktivität eine weitere Erhöhung erfährt.

Wollte man zur Lösung dieser Aufgabe ein übliches koaxiales Kabel als Schwingkreiskapazität benutzen, so brauchte man große Längen von diesem KabeL Dies würde aber zu gleicher Zeit eine beträchtliche Erhöhung der Induktivität des Gesamtkreises und damit wiederum eine Vergrößerung der zu kompensierenden Blindkomponenten des Heizstromes in dem Halbleiterstab bringen.

Hingegen kann man bei Verwendung eines massiven Kondensatordielektrikums mit einer relativen DK von mindestens 10, insbesondere von mindestens 100 erreichen, daß die bezogene Kapazität einer solchen Koaxialleitung um den gleichen Faktor ansteigt, während die bezogene Induktivität durch diese Maßnahme nicht beeinflußt wird. Geeignet sind als Kondensatordielektrikum zum Beispiel Keramiken auf der Basis von Titandioxid oder Magnesiumtitanat. Damit läßt sich ohne Schwierigkeiten die erforderliche Schwingkreiskapazität mit einem induktionsarmen Koaxialkondensator 5 realisieren, dessen Länge nicht oder nur wenig größer ist als die Mindestlänge der Stäbe, die für das Zonenschmelzen notwendig ist.

Der Koaxialkondensator 5 kann innerhalb mindestens eines weiteren Metallrohres 14 koaxial angeordnet sein. Dieses Rohr kann dann den mechanischen Schutz des Kondensators übernehmen, da dann dieses äußere Rohr gleitend in der Dichtung 7 bewegbar ist, während der eigentliche Kondensator in diesem Rohr fest angeordnet ist. Eine weitere Ausgestaltung dieser Art kann entsprechend den Ausführungen der DE-OS 19 16 318 .rfolgen. Dort ist eine Vorrichtung zum induktiven tiegellosen Zonenschmelzen von Stäben mit einer in einem abgeschlossenen Behandlungsgefäß angeordneten, zur Erzeugung und Beheizung der Schmelzzone in den zu behandelnden Stäben dienenden Induktionsspule beschrieben, die über eine elektrische Zuleitung mit einer außerhalb des Behandlungsgefäßes anzuordnenden Energiequelle verbunden ist und bei der der durch die Wand des Behandlungsgefäßes geführte Teil der elektrischen Zuleitung aus mehreren koaxial zueinander angeordne.en, rohrförmigen Einzelleitern besteht und bei der schließlich die rohrförmigen Einzelleiter in zwei Gruppen derart aufgeteilt sind, daß jede Gruppe aus zueinander parallelgeschaheten Einzelleitern besteht und daß jeder Einzelleiter nur zu Einzelleitern der anderen Gruppe benachbart ist. Vorzugsweise der äußerste dieser rohrförmigen Leiter bildet dann mit dem ihm zunächst liegenden Leiter den Schwingkreiskondensator, der innerhalb der anderen rohrförmigen Leiter koaxial durch entsprechende Mittel, zum Beispiel auch mittels eines massiven Dielektrikums mit hoher DK, befestigt ist. Durch eine solche Parallelschaltung der Kapazitäten und damit auch der Induktivitäten wird die Induktivität des Gesamtkreises weiter vermindert und die Kapazität weiter erhöht, so daO eine weitere Ausgestaltung im Sinne der Lösung der von der Erfindung behandelten Aufgabe erreicht ist.

Bei der in Fig.2 dargestellten, besonders günstigen Ausführungsform der Halterung 5 für die Heizspule 6 ist der eigentliche Schwingkreiskondensator im Innern eines weiteren zylindrischen Metallrohres 14 — und zwar konzentrisch zu diesem — befestigt. Der Schwingkreiskondensator ist dabei durch ein keramisches Rohr 13 mit einer großen Dielektrizitätskonstante, sowie einer Metallisierung 7 an der Innenwand dieses Rohres als Kondensator-Innenleiter und einer hiervon ίο isolierten Metallisierung 8 an der Außenwand des Keramikrohres 13 als Kondensator-Außenleiter gebildet Das diesen Kondensator umgebende Metallrohr 14 ist zugleich als Behälter für ein strömendes Kühlmittel 15, zum Beispiel Kühlwasser, ausgebildet. Zu diesem Zweck ist das Rohr 14 an seinem oberen und unteren Ende mit Ausnahme von Zuführungen und Abführungen für das Kühlmittel abgeschlossen. Dieser Behälter wird, wie aus der F i g. 2 ersichtlich, in seiner gesamten Länge von dem Körper des eigentlichen Schwingkreiskondensators derart durchsetzt daß der Innenraum dieses Behälters aus zwei konzentrischen, durch den Kondensator voneinander getrennten kjmmern besteht Die eine dieser Kammern befindet sicn im Innern des rohrförmigen Kondensatorkörpers, während die andere Kammer außen von dem Rohr 14 und innen -'on dem rohrförmigen Kondensatorkörper begrenzt wird. Beide Kammern sind mit je zwei Anschlußstutzen für das Kühlmittel 15 versehen. Beispielsweise gelangt das Kühlmittel über den unteren Endverschluß 12 der Halterung 5 für die Induktionsheizspule 6 in die innere Kammer, strömt von dort über den oberen, die Induktionsspule 6 tragenden Endverschluß 11 in die als gewundenes Metallrohr ausgestaltete Induktionsspule 6 und fließt dann nach dem Durchströmen der Induktionsspule 6 über die äußere Kammer der Anordnung 5 ab.

Die Anordnung ist außerdem so getroffen, daß das Keramikrohr 13 des Kondensatorkörpers die beiden Teile der metallischen Endverschlüsse 11 und 12 ebenso wie die Innen- und Außenleiter 7 und 8 des Kondensators elektrisch gegeneinander isoliert. Die Kontaktierung der Beläge 7 und 8 des Kondensatorkörr?rs erfolgt, wie bereits festgestellt, über das Kabel 9, das elektrisch über den äußeren Teil des unteren Endverschlusses 12 den Außenleiter und über den •»j inneren Teil des Endverschlusses 12 den Innenleiter des Kondensators kontaktiert. Der Innenieiter 7 stellt dann die elektrische Verbindung zum inneren Teil des Endverschlusses 11 und damit zu der einen Anschlußstelle der Induktionsspule 6 dar, während die elektrische in Verbindung der anderen Anschlußstelle der Induktionsspule 6 über den Außenleiter 8 des Kondensators und gegebenenfalls dem metallischen Außenleiter 14 sowie dem äußeren Teil des oberen Endvcrschlusses 11 geleitet wird.

Die Bestandteile der Endverschlüsse 11 und 12 können sowohl mit dem Kondensatorkbrper als auch mit dem Rohr 14, der Induktionsspule 6 und den Enden des Anschlußkabels 9 durch Weichlöten verbunden sein. Außerdem können die Endverschlüsse, insbesondere ι·" der Endversch!i_3 11, zusätzlich mit einer Schutzschicht aus hitzebeständigem Material, zum Beispiel Siliconkautschuk oder Polytetrafluorethylen, versiegelt sein. Die Schutzschicht ist in der Figur nich: dargestellt. Der Kondensator-Innenleiter 7 und der Kondensator-Außenleiter 8 können beispielsweise aus in die Oberfläche des Kcramikrohres 13 eingebranntem Silber bestehen.

Einzelheiten über die Dichtung 17. durch die der

Träger 5 der Induktionsspule hindurchgefülirl und in welcher er axial verschiebbar ist, sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Der Vollständigkeit halber soll erwähnt werden, daß diese Dichtung beispielsweise aus mehreren, in einem Stapel angeordneten und mit der Wand des BehandlungsgefäBes 1 dichtverbundenen ringförmigen Dichtungslippen bestehen kann, wobei die /wischenräume benachbarter Dichtungslippen mit einem geeigneten, möglichst wenig flüchtigen und thermisch beständigem, flüssigen Dichtungsmittel gefüllt sein können.

Es besteht ohne weiteres die Möglichkeit, zwei oder mehrere parallelgeschaltcte Schwingkreiskondensatoren innerhalb des Rohres 14 unterzubringen. In diesem Falle ist dann eine konzentrische oder eine exzentrische Anordnung beider Kondensatoren möglich. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß die mit einem Koaxialkondensator von 20 bis 30 cm Länge erzielbare Kapazität durchaus ausreicht, um die Blindkomponenten des in dem Halbleiterstab 4 induzierten Heizstromes wirksam auszugleichen und die effektive Heizwirkung beträchtlich zu erhöhen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung für das tiegellose Zonenschmelzen eines Stabes aus Halbleitermaterial mit einer koaxial zum Halbleiterstab angeordneten, einwindigen Induktjonsheizspule, die an eine abgedichtet durch die Wand des Behandlungsgefäßes geführte, starre, koaxiale Leitung befestigt ist, und wobei die eine der beiden elektrischen Anschlußstellen mit dem Innenleiter, die andere mit dem Außenleiter der starren koaxialen Leitung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Längeneinheit bezogene Kapazität der starren koaxialen Leitung (5) mindestens 20-mal so groß ist, wie die auf dieselbe Längeneinheit bezogene Kapazität der die weitere Verbindung zum Hochfrequenzgenerator (10) bildenden Hochfrequenzleitung (9).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätskonstante (DK) des massiven Dielektrikums des durch die starre koaxiale Leitung (5) gegebenen Schwingkreiskondensators mindestens 10-mal größer als die DK der Isolation der Hochfrequenzleitung (9) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum der starren koaxialen Leitung (5) aus Keramik mit hoher DK besteht

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dß die starre koaxiale Leitung (5) aus einem Rohr (13) aus einem Isoliermaterial mit hoher DK besteht, an dessen Innenwand und dessen Außenwand die beiden Leiter (7, 8) der Koaxialleitung in Form zweier gegeneinander isolierter Metallisierungen (7, &)aufgebracht sind.

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