DE2331004B2

DE2331004B2 - Induktionsheizspule zum tiegelfreien Zonenschmelzen

Info

Publication number: DE2331004B2
Application number: DE2331004A
Authority: DE
Inventors: Dr.rer.nat. Wolfgang 8000 München Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-06-18
Filing date: 1973-06-18
Publication date: 1981-05-21
Also published as: IT1014933B; JPS5755339Y2; DE2331004A1; JPS5037346A; DE2331004C3; JPS5571170U; BE816495A; US3898413A

Description

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft eine mit Hochfrequenz betreibbare als Flachspule ausgebildete Induktionsheizspule zum tiegelfreien Zonenschmelzen unter Luftausschluß, bestehend aus zwei aus metallenen Hohlkörpern gebildeten, von einem Kühlmittel durchströmbaren elektrisch in Reihe geschalteten Windungen, von denen die metallenen Oberflächen der inneren Windung wesentlich größere radiale als axiale Abmessungen aufweisen und die äußere Windung aus einem Rohr kreisförmigen Querschnitts geformt ist.

Eine entsprechende Induktionsheizspule ist aus der DE-AS 12 05 167 bekannt.

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 wandern. Hierbei werden Verunreinigungen an das eine ι Ende des Stabes transportiert. Ott 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

ίο meist senkrecht stehend mit seinen Enden in Halterungen eingespannt

Der Zonenschmelzprozeß 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 zum Kühlen fließt Bei diesen Anordnungen sind die stromführenden Teile nicht von der Atmosphäre der Schmelzkammer getrennt.

Aus der DE-OS 16 15 429 ist es zwar bekannt, in einer Vakuum-Zonenziehanlage zur Verhinderung von Störungen durch aufgedampftes Halbleitermaterial und zur Verbesserung der Reinigungsmöglichkeit der Heizspule die Spdlenoberfläche möglichst allseitig grobkörnig mit Metall oder einem Metalloxid zu beschichten.

Um versetzungsfreies Kristallmaterial zu erhalten, wird aber in der Regel der Rezipient beim Zonenschmelzen mit einer hochgereinigten Schutzgasatmosphäre versehen und im Rezipienten bzw. in der Schmelzkammer ein Druck eingestellt der höher ist als der Atmosphärendruck. Bei Verwendung von Argon als Schutzgas entstehen an den mit hochfrequentem Wechselstrom gespeisten, aus einer oder mehreren Windungen aus einem elektrisch gut leitenden Material bestehenden Induktionsheizspulen, wie z. B. bei der eingangs beschriebenen, aus der DE-AS 12 05167 bekannten Induktionsheizspule, bei hoher Arbeitsfrequenz schon bei HF-Spannungen von ca. 500 V elektrische Überschläge, welche sich sehr schädlich auf die Kristallqualität des durch das tiegelfreie Zonenschmelzen gewonnenen Halbleiterstabes auswirken und außerdem die HF-Zuleitungen zerstören.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Induktionsheizspule der eingangs genannten Art so auszubilden, daß bei ihrem Betrieb in einer Schutzgasatmosphäre mit höherem als dem Atmosphärendruck Überschläge zwischen den Windungen weitgehend verhindert werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß die äußere Oberfläche des Rohres mit einer temperaturbeständigen Isolierung überzogen ist. Durch die Verwendung einer als Flachspule ausgebildeten Induktionsheizspule (sogenannte Lochpfannkuchenspule) wird die Überschlagsneigung zum einen erheblich gemindert. Diese Spule braucht nur wenig Spannung, dafür aber viel Strom. Aufgrund ihrer niedrigen Induktivität braucht man noch bei 4 MHz sehr große Kapazitäten zur Resonanzabstimmung (ca. 24 000 pF). Niedrigere Frequenzen lassen sich nicht mehr abstimmen, weil die Kondensatorbatterien zu groß werden.

Diese Mangel werden Eum anderen durch die Induktionsheizspule gemäß der Lehre der Erfindung beseitigt, da die Oberfläche der äußersten Windung der Spule mit einer temperaturbeständigen Isolierung überzogen ist. Dabei ist in einer Weiterbildung des

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Erfindungsgedankens vorgesehen, den Anfang der äußeren Windung als Teil einer HF-Durchführung auszubilden. Dadurch wird erreicht, daß im Bereich der Durchführungen (höchste Spannung) keine spannungsführenden Teile einander unisoliert gegenüberstehen. Dies ist besonders wichtig für die Herstellung von Halbleiterstäben mit relativ großen Stabdurchmessern. Die erfindungsgemäße Spule hat gegenüber der 1-windigen Flachspule eine höhere Induktivität, braucht also mehr Spannung und weniger Strom. Dadurch lassen sich folgende Vorteile erreichen:

1. Wesentlich kleinere Abstimmkapazität (bei 4 MHz ca. 600OpF);

2. lange HF-Durchführungen brauchen nicht mehr verschachtelt zu werden, weil der Strom niedrig ist;

3. auch bei niedrigerer Arbeitsfrequenz werden die Abstimmkondensatoren noch nicht unhandlich groß.

Es Hegt im Rahmen der Erfindung, daß als Isolierung der äußeren Windung ein entsprechend gebogenes Quarz- oder Glasrohr verwendet ist und daß das Metallrohr aus Silber besteht

Gemäß einem anderen besonders günstigen Ausführungsbeispiel besteht die Isolierung aus Keramikperlen, welche über das als äußere Windung dienende Metallrohr geschoben sind, deren Hohl- oder Zwischenräume mit im Vakuum aufgebrachtem temperaturbeständigem Isolierstoff ausgefüllt sind. Zu diesem Zweck wird beispielsweise Silikonkautschuk, Silikonharz oder Polybismaleinimid verwendet

Eine weitere Möglichkeit der Isolierung besteht darin, daß ein mit einer Vergußmasse wie Silikonharz, Silikonkautschuk oder Polybismaleinimid getränktes Quarzgewebe, beispielsweise ein Quarzstrumpf, verwendet wird.

Um Halbleiterstäbe mit größeren Stabdurchmessern zonenzuschmelzen, ist gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung die Induktionsheizspule zerlegbar aufgebaut, wobei die Spule mindestens zwei Bauteile aufweist, weiche durch Schraubverbindungen unter Verwendung von für die Kühlung vorgesehene Abdichtungen miteinander verbunden sind.

Die Erfindung wird anhand von zwei Ausiührungsbeispielen und der F i g. 1 und 2 noch näher erläutert Dabei zeigt

F i g. 1 in Draufsicht eine Induktionsheizspule, bei welcher die äußere Windung als Teil der HF-Durchführung ausgebildet ist, während

Fig.2 eine Ausführungsform darstellt, bei welcher die äußere Windung über ein Metallzwischenstück mit der HF-Zuführung verbunden ist

Die in F i g. 1 abgebildete mehrwindige Sicherheits-Induktionsheizspule für das Zonenschmelzen in Schutzgasatmosphäre, insbesondere in Argonatmosphäre, besteht aus einer als Flachspule (Lochpfannkuchenspule) ausgebildeten inneren Windung 1 und einer aus einem gebogenen Metallrohr aus Silber bestehenden äußeren Windung 2, welche zugleich als Teil der H F-Durchführung 3 ausgebildet ist und auf ihrer Oberfläche bis zur HF-Durchführung 3 eine Ummantelung mit einem temperaturbeständigen Isolierstoff 4 aufweist Dieser Isolierstoff 4 besteht beispielsweise aus einem mit Silikonharz getränkten Quarzgewebe oder einem über das Silberrohr geschobenen Quarzrohr. Der Spulenteil 1 ist mit dem Spulenteil 2 über das Metallzwischenstück 5 durch Verschraubung verbunden. Ein Metallzwischenstück 6 sorgt für die Verbindung zwischen dem Spulenteil 1 und der HF-Durchführung 3. Die Abdichtung der Spulenanordnung erfolgt über die mit dem Bezugszeichen 7 bezeichneten Silikongummidichtungen. Der innere Spulenteil 1 enthält ein Ansatzstück in Form einer öse 8, an welcher die Spule geerdet werden kann.

In Fig.2 ist eine ähnliche Ausführungsform wie in F i g. 1 dargestellt. Dabei wird die äußere Windung 2 nicht als Teil der HF-Durchführung verwendet, sondern über das Metallzwischenstück 9 mit der HF-Durchführung 3 verbunden. Auch bei dieser Spulenanordnung ist die äußere Windung 2 bis zum Metallzwischenstück 9 mit einer Ummantelung 4 aus einem temperaturfesten Isolierstoff wie Silikonharz oder -kautschuk versehen. Ansonsten gelten die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mit Hochfrequenz betreibbare als Flachspule ausgebildete Induktionsheizspule zum tiegelfreien Zonenschmelzen unter Luftausschluß, bestehend aus zwei aus metallenen Hohlkörpern gebildeten, von einem Kühlmittel durchströmbaren elektrisch in Reihe geschalteten Windungen, von denen die metallenen Oberflächen der inneren Windung wesentlich größere radiale als axiale Abmessungen aufweisen und die äußere Windung aus einem Rohr kreisförmigen Querschnitts geformt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche des Rohres (2) mit einer temperaturbeständigen Isolierung überzogen ist

2. !nduktionsheizspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfang der äußeren Windung als Teil einer HF-Du.-chführung ausgebildet ist

3. Induktionsheizspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Isolierung der äußeren Windung ein entsprechend gebogenes Quarz- oder Glasrohr verwendet ist

4. Induktionsheizspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallrohr aus Silber besteht.

5. Induktionsheizspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung aus Keramikperlen besteht, weiche über das als äußere Windung dienende Metallrohr geschoben sind, deren Hohlräume mit im Vakuum aufgebrachtem temperaturbeständigem Isolierstoff ausgefüllt sind.

6. Induktionsheizspule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als temperaturbeständiger Isolierstoff Silikonharz, Silikonkautschuk oder PoIybismaleinimid verwendet ist.

7. Induktionsheizspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung aus einem mit einer Vergußmasse wie Silikonharz, Silikonkautschuk oder Polybismaieinir.tid getränkten Quarzgewebe besteht.

8. Induktionsheizspule nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule zerlegbar aufgebaut ist.

9. Induktionsheizspule nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule mindestens zwei Bauteile aufweist, welche durch Schraubverbindungen unter Verwendung von für die Kühlung vorgesehenen Abdichtungen miteinander verbunden sind.