DE2217407A1

DE2217407A1 - Induktionsheizspule zum tiegelfreien zonenschmelzen

Info

Publication number: DE2217407A1
Application number: DE2217407A
Authority: DE
Inventors: Werner Baumgartner; Wolfgang Dr Keller; Manfred Dr Schnoeller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-04-11
Filing date: 1972-04-11
Publication date: 1973-11-29
Also published as: JPS498832A; GB1389093A; FR2179704A1; US3809846A; NL7216526A; IT983729B

Description

• SIEMENS AKTIiSIGESELLSCHAS¹I München 2, 11.AHU372

Berlin und München Wittelsbacherplatz 2

toa 72/1057

Induktionsheizspule zum tiegelfreien Zonenschmelzen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Induktionsheizspule mit einer oder mehreren Windungen zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Stäben aus Halbleitermaterial.

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Beim tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterial läßt man.eine, durch eine Induktionsheizspule aus Kupfer oder Silber erzeugte Schmelzzone durch einen stabförmigen Körper des zu behandelnden Materials v/andern. Hierbei werden Verunreinigungen an das eine Ende des Stabes transportiert. Oft wird das Verfahren auch zum Einkristallzüchten verwendet, indem an das eine Ende des Stabes ein Keimkristall angeschmolzen und von diesem ausgehend eine Schmelzzone durch den Stab geführt wird. Der stabförmige Körper wird dabei meist senkrecht stehend mit seinen Enden in Halterungen eingespannt.

Der Zonen-schmelzprozeß wird entweder im Vakuum oder in Schutzgasatmosphäre, bestehend aus Wasserstoff, Argon oder einem anderen inerten Gas durchgeführt.

Die Schmelzspulen für das Zonenschmelzen mit Hochfrequenz bestehen meist aus Kupfer- oder Silberrohr, durch das gleichzeitig Wasser zur Kühlung fließt. Bei diesen Anordnungen sind die stromführenden Teile nicht von der Atmosphäre der Schmelzkammer getrennt.

Um versetzungsfreies Kristallmaterial zu erhalten, wird der Rezipient beim Zonenschmelzen mit einer hochgereinigten Schutzgasatmosphäre versehen und im Rezipient bzw. in der Schmelzkammer ein Druck eingestellt, der höher ist als der Atmosphärendruck. Bei Verwendung von Argon als Schutzgas entstehen an den

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mit hochfrequentem Wechselstrom gespeisten, aue einer oder mehreren Windungen aus einem elektrisch gut leitenden Material bestehenden Induktionsheizspulsn bei hoher Arbeitsfrequenz elektrische Überschläge, welche sich sehr schädlich auf die Kristallqualität des durch das tiege&freie Zonenschmelzen gewonnenen Halbleiterstabes auswirken und die HP-Zuleitungen zerstören.

Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, besteht in der Schaffung einer Induktionsheizspule, welche diese Überschläge verhindert. Außerieß soll die Spulenoberflache sehr leicht von aufgedampften Verunreinigungen zu reinigen sein, wodurch die Lebensdauer einer solchen Spule erheblich verbessert wird. Eine weitere Forderung ist, daß der elektrische Kontakt zwischen Spule und Spulenhalterung gut i3t und eine hochvakuumdichte Verbindung möglich ist.

Aus der Patentanmeldung P 2 158 274.1 ist zwar eine Induktionsheizspule zum tiegelfreien Zonenschmelzen bekannt, welche die3e Forderungen weitgehend erfüllt. Diese Spule besteht aue einem entsprechend gebogenen Aluminiumrohr, welches an seiner Spulenoberfläche mit einer Eloxalschicht versehen ist.

Die Spulenanordnung gemäß der Lehre der Erfindung, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die stromführenden Teile der Spule im Bereich der Schmelzkammer mit einer der Spulenforin angepaßten temperaturfesten und vakuumdichten Isolierung umgeben and und die Enden der Spule über Metallzwischenstücke vakuumdicht mit der Spulenhalterung verbunden sind, wird der gestellten Aufgabe noch besser gerecht und arbeitet zuverlässiger als die eloxierte Aluminiumspule.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß als Isolierung spulenförmig gebogene Quarz- oder Glasröhrchen verwendet werden, daß die stromführenden Teile der Spule aus drahtförmigen Lei-

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tern bestehen, welche in die gebogenen Quarz- oder Glasrohrchen eingeschoben sind, und daß die Quarz- oder Glasröhrchen mit einem Kühlmittel versehen sind. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die stromführenden Teile der Spule aus mehreren Drähten, insbesondere aus einer Litze bestehen. Durch die Verwendung der Litze als Stromleiter wird eine größere Oberfläche der Leiter erhalten und damit für Hochfrequenz ein kleiner ohmscher Widerstand erzielt.

Gemäß einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung werden die etromdurchflossenen Leiter aus Silber- oder Kupferdrähten gefertigt und die als iBolierung dienenden Quarz- oder Glasröhrehen mit einer Wasserkühlung versehen. Dadurch werden die Stromleiter sehr gut von außen gekühlt. Da Quarz und Glas schlechte Wärmeleiter sind, wird das Schutzgas in der Nähe der Spule nicht so stark gekühlt wie bei den bekannten Kupfer- oder Silberspulen· Badurch veringern sich die iemperaturgradienten in der Schmelze und in den angrenzenden Stabteilen, was sich sehr günstig auf die Krietallqualität des gezogenen Stabes auswirkt·

Zur Schaffung eines guten elektrischen Kontakte «ur Spulenhalterung erfolgt die Befestigung der Spulenenden an der Spulenhalterung durch Lötung der metallischen Leiter an den» aus gut leitenden Material, ζ. B. aus Silber bestehenden Zwischenstücken. Sie Abdichtung der Quarz- oder Glasröhrehen in dem in der Halterung eingepaßten metallischen Zwischenstück erfolgt über Silikongummidichtungen· Diese Silikongummidichtungen können in den Dichtungsraum zwischen Quarzrohr und in die Halterung eingepaßtem Zwischenstück entweder mittels einer Lochmutter mit Außengewinde oder aber mittel einer Überwurfmutter eingepreßt werden. Der Vorteil der zuletzt genannten Ausführungsform ist ein besserer Sitz der Dichtung 'durch das genaue Einpassen. Dadurch können Gewindegänge in Dichtungsnähe vermieden werden«

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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Hand von Auaführungsbeißpielen und der Figuren 1 bis 4 noch näher erläutert.

Figur 1 zeigt in Draufsicht die Darstellung einer zweiwindigen Flachspule gemäß der Lehre der Erfindung (teilweise aufgebrochen dargestellt);

Figur 2 zeigt die Spulendichtung und -befestigung an der Spulenhalterung bzw. an dem in die Spulenhalterung eingepaßten Zwischenstück; die

Figuren 3 und 4 zeigen im Schnittbild den Aufbau der für die erfindungsgemäße Spule verwendeten Halterung.

In Figur 1 ist mit 1 eine aus zwei Windungen bestehende Flachspule bezeichnet, die aus einem entsprechend gebogenen Quarzrohr 2 besteht, in welches drahtförmige Leiter 3 aus Kupfer oder Silber eingeführt sind. Das gebogene Quarzrohr wird zur Kühlung der metallischen Leiter 3 von Wasser 5 durchströmt; die Richtung der Strömung wird durch die Pfeile 6 und 7 angezeigt.

In Figur 2 ist im Schnitt eine Spulenanordnung gezeigt, welche über ein metallisches Zwischenstück an einer Spulenhalterung befestigt ist. Mit dem Bezugszeichen 3 sind wieder die metallischen Leiter der Spule, mit 2 das diese Leiter umschlie3-sende Quarzrohr und mit 5 das Kühlwasser bezeichnet. Das Quarzrohr 2 wird durch eine Bohrung in dem Zwischenstück 7 bis an das Befestigungsteil an der HF-Durchführung 8 eingeschoben, die Enden des metallischen Leiters 3 im Bereich 9 und 10 des Zwischenstückes 7 verlötet und das Quarzrohr 2 mittels einer Silikongummidichtung 11 abgedichtet. Das mit dem Bezugszeichen 12 markierte Oberteil drückt durch Verschraubung auf die Silikongummidichtung 11 und sorgt für eine sichere Abdichtung nach außen. Mit 15 ist die Dichtung gegen die HF-Durchführung bezeichnet.

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In Figur 3 ist im Schnittbild eine Spulenhalterung 8 mit Zwischenstück 7 dargestellt, bei der die metallischen Leiter 3> welche aus einer Metallitze bestehen, mit dem ihn umgebenden Quarzrohr 2 durch ein, das metallische Zwischenstück bildendes. Rohr 17 aus Silber, Kupfer oder ' versilbertem Messing, welches in die Spulenhalterung 4 eingepaßt ist, eingeschoben wird. Die Leiter 3 werden im Bereich 19 durch das Rohr 17 nach außen geführt und Jdort verlötet. Das Zwischenstück 7 enthält außer dem Rohr 17 noch eine Klemmschraube 18, welche über ein Gewinde mit dem Rohr 17 verbunden wird und dafür sorgt, daß das Quarzrohr 2 über eine Silikongummidichtung 16 nach außen, d. h. gegenüber der Sehinelzkammer (nicht dargestellt), abgedichtet wird. Mit dem Bezugszeichen 15 sind wieder die Dichtungen gegen die HP-Durchführung 8 bezeichnet. Der Pfeil 20 zeigt die Richtung der für die Kühlung vorgesehenen Wasserströmung an.

Figur 4 zeigt eine Ausführungaform des Zwischenstücks 7 nach der Lehre der Erfindung, bei der mit Hilfe einer Überwurfmutter 21, welche über ein Feingewinde mit dem Rohr 17 verbunden ist, die Silikongummidichtung 16 in den Dichtungsraum zwischen Quarzrohr 2 und Zwischenstück.7 (bzw. 17) gepreßt wird. Diese Anordnung hat gegenüber der Anordnung nach Figur 3 den Vorteil, daß ein besserer Sitz der Dichtung garantiert wird und daß ein genaueres Einpassen möglich ist.

Es liegt auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, daß die als Isolierung dienenden Quarz- oder Glasröhrchen in dem für die Befestigung an den in den Spulenhalterungen angepaßten Zwischenstücken vorgesehenen Bereich eine Metallisierung aufweisen und daß die Verbindung mit den Zwischenstücken bzw. der Spulenhalterung durch Lötung erfolgt.

9 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims

1.) Induktionsheizspule mit einer oder mehreren Windungen zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Stäben aus Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, j daß die stromführenden Teile der Spule im Bereich der Schraelzkammer mit einer der Spulenforra angepaßten, temperaturfesten und vakuumdichten Isolierung umgeben sind und daß die Enden der Spule über Metallzwischenstücke vakuumdicht mit der Spulenhaierung verbunden sind.

2.) Induktionsheizspule nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichne t , daß als Isolierung spulenförmig gebogene Quarz- oder Glasröhrchen verwendet sind, daß die stromführenden Teile der Spule aus drahtförmigen Leitern bestehen, welche in die gebogenen Quarz- oder Glasröhrchen eingeschoben sind, und daß die Quarz- oder Glasröhrchen mit einem Kühlmittel versehen sind.

3·) Induktionsheizspule nach Anspruch 1 und/oder 2, d a -durch gekennzeichnet, daß die stromführenden Teile der Spule aus mehreren Drähten, insbesondere aus einer Litze bestehen.

4·) Induktionsheizspule nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Leiter aus Silberoder Kupferdrähten bestehen·

5.) Induktionsheizspule nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die als Isolierung dienenden Quarz- oder Glasröhrchen wasserdurchströmt sind.

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6.) Induktionsheizspule nach Anapsucib, 1 Ms 3_S dadurch g e k e η η ζ e i e h η ·3 t ₃ daß di® Befesti» gung der Spulenenden an der Spulenhalterung durch L5tim.g der metallischen Leiter an aen₃ aus gut laitendesi Material bestehenden Zwischenstücken und die Abdichtung der Quars- oder Glasröhrechen in dem in der Hal'iier-u&g eingepaßten " metallischen Zwischenstück. über- Sili-nongtaamidichtimgea erfolgt·

7.) Induktionsheizspule nach Anspruch. S, dadurch gekennzeichnet-, daß die Silikongummidiclitiiiag mittels einer Lochmuster ;sit. Außengewinde in den Dichtungs« raum zwischen Quarzrohi' und in die Halterung eingepaßtem Zwischenstück gepreßt ; ist»

8.) Induktionsheizspule nach Anspruch 6; ei a ä \i 2? ο & gekennzeichnet ₅ -laß dis Sili mittels einer tlberwurfmutt^r in den SioM^ . Quarzrohr und Zwischenstück gepreßt iat<,

9.) Induktionsheizspule riacli Äu.,-jpj-;ic5s. 1 ^Is 5 gekennzeichns'l; _;i ^P :ii;^r! ^1ξ den Quarz- oderGlasröhrc/ias 1?? dc^:s Z^ ^r::·.-den in den Spulenhai-carungen asgspa-E'äea S vorgesehenen Bereich eine Metallisissipig aufweisen miä dag die Verbindung mit dsn SwiaclienstfiGten. durch lötmzg erfolgt».

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