DE2257087C3

DE2257087C3 - Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines Halbleiterstabes

Info

Publication number: DE2257087C3
Application number: DE2257087A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. 8000 Muenchen Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-11-21
Filing date: 1972-11-21
Publication date: 1978-12-21
Also published as: IT1001909B; DE2257087A1; US3862348A; DK135028B; DE2257087B2; DK135028C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Halbleiterstabes. insbesondere aus Silicium, in einem Rezipienten, in welchem eine den Stab ringförmig umgebende und in Längsrichtung des Stabes verschiebbare Induktionsheizspule zum Beheizen der Schmelzzone angeordnet ist. und mit einer in der Wand des Rezipienten angebrachten Stromzuführung für die Induktionsheizspule, welche aus koaxial ineinander angeordneten Leiterrohren besteht und als Spulenträger dient

Beim tiegelfreien Zonenschmelzen wird ein HaIbleilerkristallstab senkrecht an seinen beiden Enden in Halterungen eingespannt und in einem Rezipienten mittels einer Induktionsheizspule mit Hochfrequenz geschmolzen, Da die Induktionsheizspule im Verhältnis zur Länge des Stabes eine geringe axiale Ausdehnung besitzt, schmilzt nur die jeweils in ihr liegende Zone des Halbleiterstabes, Die Induktionsheizspule wird irrt Verlauf des liegelfreien Zonenscihmclzens langsam in Längsrichtung des Stabes bewegt. Diesef Vorgang wird entweder im Vakuum oder in Schutzgasatmosphäre durchgeführt.

Die Zuführung des Heizstromes für die induktionsheizspule erfolgt über eine Stromzuführung, die durch den Boden oder Deckel des Rezipienten hindurchgeführt wird. Diese Stromzuführung enthält nach dem deutschen Patent 10 76 623 mehrere Leiterrohre verschiedener Weite, welche die Induktionsheizspule tragen und wegen der geringen Induktivität koaxial ineinander angeordnet sind. Dabei wird das Leiterrohr mit der größten Weite durch eine Wandung, vorzugsweise durch den Boden des Rezipierten, mittels einer gasdichten Durchführung in seiner Längsrichtung verschiebbar hindurchgeführt.

Der Hohlraum des inneren und der Zwischenraum zwischen dem äußeren und dem mittleren Rohr dient zur Zu- und Abfuhr eines Kühlmittels, wobei die

H Indüictionsheizspule mit in den Kühlmittelkreislauf einbezogen wird.

Aus der DE-OS 19 16 317 ist eine Koaxialstromzuführung bekannt, bei der zur Verringerung der Verlustleistung in der Stromzuführung und damit zur Erhöhung der Heizleistung auf die Schmelzzone mehrere Leiterrohre so verschachtelt angeordnet werden, daß numeriert nach zunehmender oder abnehmender Rohrweite alle Leiterrohre ungerade Nummern einerseits und alle Leiterrohre gerader Nummer andererseits an beiden Enden der Stromzuführung elektrisch leitend verbunden sind. Durch diese Anordnung w.rd erreicht, daß auch eine einwindige Induktionsheizspule mit geringem Ohm'schen und induktivem Widerstand eine hohe Heizleistung auf die Schmelzzone im kristallinen Stab überträgt.

Durch die Erfindung werden die bekannten Vorrichtungen zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines Halbleiterkristallstabes, insbesondere eines Siliciumstabes, in bezug auf die Verringerung der Verlustleistung in der

J¹J Stromzuführung und auch in mechanischer Hinsicht noch weiter dadurch verbessert, daß die Stromzuführung zur Induktionsheizspule aus zwei Leitungszweigen gebildet ist.

Durch die Aufteilung der Zuführung in einen nach

■ίο unten und einen nach oben führenden Ast kann erreicht werden, daß jeder Ast nur den halben Spulenstrom führt. Die Anordnung kann deshalb bei gleichem Wirkungsgrad auch unverschachtelt und relativ dünn ausgebildet sein. Die im Heizkreis vorhandenen

Vi Abstimmkondensatoren können auf beide Äste verteilt werden, ebenso die Verbindungskabel zum HF-Genera tor.

Fs liegt im Rahmen der Erfindung, die Aufteilung der Sfomzuführung so vorzunehmen, daß die Leitungs

vt zweige (Äste) nach oben und nach unten aus dem Rezipienien herausgeführt sind. Dadurch ergeben sich mechanisch die Vorteile eines den Rezipienten oben und unten durchstoßenden Gestänges mit konstantem Lagerabstand.

'Λ In einer Weiterbildung des Frfindiingsgedankcns ist vorgesehen, daß die beiden l.eiiungsieilabschnitte aus mehreren koaxial ineinander verschachtelten I.eiterroh ren bestehen, bei denen — numeriert nach zunehmender oder abnehmender Rohrweite — alle l.eiterrohre

ti» ungerader Nummer einerseits und alle Leiterrohrc gerader Nummer andererseits an beiden Enden der Stromzuführung elektrisch leitend Verbunden sind. Dadurch Wird der Wirkungsgrad noch weiter erhöht, weil die Heizleistung besser ausgenutzt werden kann.

'>■) Die Erfindung und ihre Vorteile werden an Hand der Figuren näher erläutert/

Pig. I zeigt eine schematische Darstellung einer Stromzuführung in einer Vorrichtung zum liegelfreien

Zonenschmelzen gemäß der Erfindung;

Fig.2 bis 4 zeigen weitere besonders günstige Ausführungsformen (in F i g. 2 und 4 wurde die Spule um 90 Grad gegen die Zeichnungsebene gedreht dargestellt);

Fig.5 zeigt ein elektrisches Schaltbild gemäß der Abbildung in Fig.4;

Fig.6 zeigt das elektrische Schaltbild gemäß der Abbildung in Fig. A

In Fig. 1 ist schematisch eine Stromzuführung 2 zur ici Induktionsheizspule 3 dargestellt, welche aus zwei aus Koaxialsystemen bestehenden Leitungszweigen 4 und 5 gebildet wird. Dabei wird der Leitungszweig 4 nach oben durch die Rezipientendecke 6 über eine Simmeringkammer 7 nach außen und zum HF-Generator π geführt (in der Zeichnung nicht abgebildet — ebenso auch die für den Heizkreis notwendigen Kondensatoren). Das gleiche gilt für das untere Koaxialsystem 5, welches durch den Rezipientenboden 8 und die Simmeringkammer 9 nach außen geleitet wird. Der Doppelpfeil iO soll bedeuten, daß die aus den beiden Leitungsteilabschnitten 4 und 5 bestehende und als Spulenträger ausgebildete Stromzuführung 2 in axialer Richtung verschiebbar ist. Der Drehpfeil 11 zeigt an, daß die Stromzuführung um ihre Achse in kleinem Winkel gedreht werden kann. Die Stromzuführung (2,4, 5) selbst besteht aus einem äußeren Stahlrohr 12, welches in der Rezipientenwand (6, 8) gleitend geführt ist, und zwei inneren Kupferrohren 13 und 14, welche durch eine Isolierung 15 aus kaltvulkanisierendem «1 Silikonkautschuk voneinander getrennt sind. Zwischen dem Stahlrohr 12 und dem mittleren Kupferrohr 13 sowie ip.nerhalb des inneren Kupferrohres 14 befindet sich ein Kühlmittelkreislauf, dessen Richtung durch die kleinen Pfeile 16 gekennzeichnet ist. In diesen r> Kühlmi telkreislauf ist auch die Induktionsheizspule 3 miteingeschlossen. Dadurch wird verhindert, daß die Schme'zspule durch Stromdurchgang und Strahlungsheizung der Schmelzzone zu stark erwärmt wird.

In F i g. 2 wird in einem weiteren Ausführungsbeispiel κι eine ähnliche Anordnung wie in F i g. 1 gezeigt. Der Unterschied besteht darin, daß die Heizspule 20 eine geerdete Mittelanzapfung 21 aufweist und beide Leiter beider Koaxialsysteme 28 und 29 HF-Potential gegen Erde führen. Die Bezugszeichen für die inneren 4-> Kupferrohre sind 22 und 23. Das äußere Stahlrohr 24 ist geerdet und sein Hohlraum mit einer Isolierung 25. z. B. aus Silikonkautschuk, versehen. Der Zwischenraum zwischen den KupferleiteTohren 22 und 23 enthält ebenfalls eine Isolierung 26. Durch die kleinen Pfeile 27 -xi wird wieder der Kühlmittelkreislauf markiert.

Die Ausführungsform gemäß F i g. 3 entspricht der Ausfühmngsform noch Fig. I, bei der das untere Koaxiiilsystem nach oben geklappt ist, so daß die beiden Leitungsteilabschnitte 31 und 32 über die Durchführun gen 33 und 34 durch die Rezipientendecke 35 nach außen geführt werden können. Die Kupferleitungsrohre tragen die Bezugszeichen 36 und 37, das äußere Stahlrohr ist mit 38 bezeichnet. Die kleinen Pfeile 39 markieren den Kühlmittelkreislauf, in welchen auch die Induktionsheizspule 40 miteinbezogen ist. Das Bezugszeichen 41 gilt für die Isolierung aus Silikonkautschuk, welche die beiden Leiterrohre aus Kupfer 36 und 37 voneinander isoliert.

In F i g. 4 ist eine Ausfühmngsform abgebildet, welche elektrisch nicht so günstig ist wie die bereits beschriebenen Ausführungsformen; ihr Aufbau ist jedoch bei geerdeter Mittelanzapfung der Spule mechanisch einfacher. Auch hier werden die beiden Leitungsteilabschnitte 43 und 44 aus einem äußeren Stahlrohr 45 und den inneren Kupferrohren 46 und 47 gebildet, welche durch eine Silikonk?. ischukfüllung 48 voneinander isoliert sind. Die aus eirer Windung bestehende Induktionsheizspule 49 weist eine Mittelanzapfung 50 auf, die am geerdeten Stahlrohr 45 liegt. Die kleinen Pfeile51 markierenden Kühlmittelkreislaul.

F i g. 5 zeigt das entsprechende elektrische Schaltbild zu Fig.4. Es gelten für die entsprechenden Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig.4. Aus dem Schaltbild ist der erdsymmetrische Aufbau der Anordnung ersichtlich. Beide Koaxialsysteme sind einpolig geerdet. Die Induktionsheizspule 49 liegt in Serie zu den beiden Leitungszweigen 43 und 44; die Aufteilung der Abstimmkondensatoren 52 bis 57 für den die Heizspannung enthaltenden Schwingkreis erfolgt auf beide Koaxialsysteme, ebenso die Aufteilung der Verbindungskabel 58 und 59 zum HF-Generator 60. Für die Anordnung mit in Serie mit den Zuführungen geschalteten Schmelzspule ist gegenüber den Anordnungen mit parallelgeschalteten Koaxialsystomen jsach Abb. 1, 2, 3, 6 doppelte Kapazität bei halber Spannung erforderlich.

In Fig. 6 ist das elektrische Schallbild für die Abbildung in Fig. 2 dargestellt Auch hier gelten die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 and 5. Aus dem Schaltbild ist zu ersehen, daß die beiden Leitungszweige 28 und 29 in bezug auf die Induktionsheizspule 20 parallelgeschaltet sind und die Induktionsheizspule eine geerdete Mittelanzapfung 21 aufweist. Die Abstimmkondensatoren sind mit den Bezugs/eichen 61 bis 64 bezeichnet. Die Verbindungskabel tragen die Be/ugszeichen 58 und 59, und der HF-Gencrator ist mit 60 bezeichnet.

Hicr/u 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Halbleiterstabes, in einem Rezipienten, in welchem eine den Stab ringförmig umgebende und in Längsrichtung des Stabes verschiebbare Induklionsheizspule angeordnet ist, die mit einer in der Wand des Rezipienten angebrachten als Spulenträger ausgebildeten, Stromzuführung versehen ist, welche aus koaxial ineinander angeordneten Leiterrohren besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführung zur Induktionsheizspule aus zwei Leitungszweigen gebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungszweige nach oben und nach unten aus dem Rezipienten herausgeführt sind.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungszweige in bezug auf die Icduktionsheizspule parallelgeschaltet sind, und daß die induktionsheizspule eine geerdete Mittelanzapfung aufweist

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsheizspule in Serie zu den beiden Leitungszweigen geschähet ist, und daß die Mittelanzapfung de.· Induktionsheizspule am geerdeten Leiter der Serienschaltung liegt.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Leitungszweige durch die Decke oder den Boden des Rezipienten nach außen geführt sind.

6. Vorrichtung nach d-*n An: ",rüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dal die beiden Leitungszweige aus mehreren koaxial ineinander verschachtelten Leiterrohren bestehen, bei denen numeriert nach zunehmender oder abnehmender Rohrweite alle Leiterrohre ungerader Nummer einerseits und alle Leiterrohre gerader Nummer andererseits an beiden Enden der Stromzuführung elektrisch leitend verbunden sind.