DE2538854B2 - Einwindige Induktionsheizspule zum tiegelfreien Zonenschmelzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine einwindige Induktionsheizspule zur Herstellung von versetzungsfreien, einkristallinen Halbleiterstäben mit insbesondere großen Durchmessern, durch tiegelfreies Zonenschmelzen eines vertikal orientierten kristallinen Stabes.

Beim tiegelfreien Zonenschmelzen werden als Induktionsheizspulen neben Zylinderspulen und mehrwindigen Flachspulen heute bevorzugt einwindige Flachspulen eingesetzt, die es gestatten, den Stab lediglich an einer sehr schmalen Stelie aufzuschmelzen. Die hierdurch erhöhte Stabilität der Schmelzzone ist besonders bei großen Stabdurchmessern von Bedeutung. Mit derartigen einwindigen Flachspulen gelingt es, Stäbe in versetzungsfreie Einkristalle mit bis zu 7,5 cm Durchmesser zu überführen. Der an den Stromzuführungen derartiger einwindiger Flachspulen ausgebildete

ίο Schlitz wirkt sich bei größeren Stabdurchmessern jedoch sehr ungünstig aus und kann am Außenrand derartiger Stäbe, nahe der Erstarrungsfront, zu Rückschmelzungen führen, die Versetzungen im Stab bedingen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannte einwindige Induktionsheizspule so zu verbessern, daß sie die Herstellung von versetzungsfreien Halbleiterstäben mit insbesondere großen Durchmessern erlaubt

Gelöst wird diese Aufgabe durch einwindige Induktionsheizspulen, die ein- oder mehrere dem zwischen den Spulenenden beim Übergang in die Stromzuführungen ausgebildeten Freiraum entsprechende Ausnehmungen aufweisen, die um die Drehachse durch den Spulenmittelpunkt umlaufend angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen dem zwischen den Spulenenden beim Übergang in die Stromzuführungen ausgebildeten Freiraum und der nächstfolgenden Ausnehmung gleich dem Abstand zwischen jeweils zwei Ausnehmungen ist.

Die Induktionsheizspulen gemäß der Erfindung können dabei als einwindige Flachspulen ausgebildet sein oder auch als einwindige Ringspulen mit beispielsweise weitgehend rechteckigem oder ovalem bzw. bevorzugt weitgehend quadratischem oder rundem

^J> Hohlquerschnitt. Der Hohlquerschnitt der ebenfalls von einem geeigneten Kühlmittel durchströmten Flachspulen kann dabei beispielsweise weitgehend rechteckig, angenähert dreieckig bzw. konusförmig sein, wobei der spitze Winkel respektive öffnungswinkel im Innenrand der Spule liegen soll.

Der Innendurchmesser der erfindungsgemäßen, beispielsweise aus Silber gefertigten Induktionsheizspulen beträgt etwa 20 bis 40 mm, bevorzugt 25 bis 35 mm, der Außendurchmesser etwa 110 bis 180 mm, bevorzugt 130 bis 150 mm, wobei bei den Ringspulen mit beispielsweise quadratischem oder rundem Hohlquerschnitt unter Innendurchmesser der doppelte Abstand des mittelpunktsnächsten Spulenpunktes zum Spulenmittelpunkt und als Außendurchmesser der doppelte Abstand des mittelpunktsfernsten Spulenpunktes vom Spulenmittelpunkt verstanden werden soll.

Durch die Spulenform gemäß der Erfindung wird die Asymmetrie des elektromagnetischen Feldes, die durch den zwischen den Spulenenden beim Übergang in die Stromzuführungen ausgebildeten, spaltförmigen Freiraum bedingt wird, durch die Ausbildung mehrerer Asymmetrien, die durch die erfindungsgemäßen Ausnehmungen der Spule rund um die Drehachse erzeugt werden und in etwa in der gleichen Größenordnung sind, kompensiert, und es entsteht ein zur Stabachse weitgehend symmetrisches, gleichmäßiges elektromagnetisches Feld. Durch die symmetrische und gleichmäßige Feldverteilung werden Rückschmelzungen des Stabes, wie sie am Außenrand der Erstarrungsfront bei Verwendung herkömmlicher einwindiger Flachspulen aufgrund der thermischen Asymmetrie, d. h. der partiellen Überhitzung an den schmalen Stromzuführungen auftreten, vermieden.

Aufgrund der symmetrischen und gleichmäßigen Feldverteilung der erfindungsgemäßen Induktionsheizspulen gelingt es außerdem, den radialen Widerstandsgradienten makroskopisch und mikroskopisch entscheidend zu verbessern. Die makroskopische Verbesserung bedeutet dabei, daß der im wesentlichen durch die Dotierstoffkonzentration gegebene Widerstandsverlauf über den Stabdurchmesser weitgehend gleichförmig wird, also gegen die Stabmitte zu nicht oder zumindest kaum mehr abfällt, die mil'- skupische Verbesserung, daß die durch die Striations verursachte Widerstandsschwankung stark verringert wird.

Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Induktionsheizspulen lassen sich absolut versetzungsfreie Halbleitereinkristalle herstellen, außerdem wird die äußere Stabform derartiger Einkristalle aufgrund des gleichmäßigen thermischen Gradienten und damit geringerer, eingefrorener, innerer Spannungen wesentlich glatter, wodurch sich Schleifverlus'.* erheblich reduzieren lassen. Während bei der Verwendung herkömmlicher einwindiger Flachspulen aufgrund des durch sie erzeugten asymmetrischen Feldes, bei welchem die Resultierende der elektromagnetischen Feldkräfte aus der Stabachse fällt, auf den Impfling Biegemomente übertragen werden, die bei längeren Stäben zum Abbrechen oder Umkippen des Stabes führen können, gelingt es nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, auch lange und schwere Stäbe mit großen Stabdurchmessern einwandfrei zu ziehen.

In den F i g. 1 bis 3 sind drei Ausfuhrungsbeispiele der erfindungsgemäßen Induktionsheizspulen dargestellt, anhand derer der Erfindungsgegenstand weiter ausgeführt wird, ohne darauf beschränkt zu sein.

In F i g. 1 ist eine einwindige Induktionsheizspule mit rundem Hohlquerschnitt dargestellt, die in ihrer Form den Umrissen eines gleichseitigen Sechsecks folgt und in der Fortsetzung der Verbindungslinien zwischen Mittelpunkt und Ecken des Sechsecks nach außen auseinandergezogen ist unter Ausbildung von dem zwischen den Stromzuführungen 1 ausgebildeten Schlitz 2 entsprechenden Ausnehmungen 3. Gemäß der Erfindung lassen sich Induktionsheizspulen mit rechteckigem, ovalem oder bevorzugt quadratischem Hohlquerschnitt herstellen, die den Umrissen eines Vielecks, vorzugsweise Vierbis Achtecks, folgen und entsprechend in der Fortsetzung der Verbindungslinien zwischen Mittelpunkt und Ecken des jeweiligen Polygons nach außen ar.seinandergezogen sind unter Ausbildung von dem zwischen den Stromzuführungen ausgebildeten Schlitz entsprechenden Ausnehmungen.

F i g. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Induktionsheizspule, bei welcher die Spule in einandernachfolgenden vier angenähert kreisförmigen, gleichartigen Schlingen den Spulenmittelpunkt umläuft und in einer mittelpunktsfernen Krümmung in die Stromzuführungen 1 übergeht Der beim Übergang der Spulenenden in die Stromzuführungen 1 ausgebildete Freiraum 2 entspricht dabei in seiner geometrischen Abmessung wiederum weitgehend einer durch eine der Spulenschlingen begrenzten Ausnehmung. Entsprechend lassen sich auch Spulen mit mehr oder weniger, vorzugsweise 3 bis 7, derartiger, angenähert kreisförmiger oder beispielsweise auch ovaler oder eckiger Schlingen herstellen, wobei dann der zwischen den Spulenenden beim Übergang in die Stromzuführungen ausgebildete Freiraum entsprechend der Schlingenform gestaltet werden soll. Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Spule so ausgeführt, daß sie gegenüber den Stromzuführungen eine mittelpunktsnahe Krümmung 4 aufweist, die in einem kurzen Bereich konkav eingebogen ist. Diese Ausführungsform erleichtert das Zonenschmelzen mit Keimkristallen.

Die Spule kann mit dieser Stelle dicht an den Keimkristall herangefahren werden, wodurch zum Aufschmelzen weniger Leistung benötigt wird. Nach dem Abschmelzen an den Polystab kann der Stab dann wieder leicht in die Spulenmitte gebracht werden. Wird

to der Keimkristall dagegen in der Spulenmitte aufgeschmolzen, dann ist aufgrund der durch den großen Abstand schlechten Ankoppelung sehr viel Leistung erforderlich, wodurch es zu einem zu starken Aufschmelzen des darüber befindlichen Polystabes und letztlich zu einem Abtropfen des Keimkristalls kommen kann.

In F i g. 3 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Induktionsheizspule dargestellt Diese einwindige Flachspule weist vom Innenrand senkrecht auf den Außenrand zu vier dem Spalt 2 zwischen den Spulenenden beim Übergang in die Stromzuführungen 1 entsprechende Schlitze 3 auf. Der Abstand zwischen dem zwischen den Spulenenden beim Übergang in die Stromzuführungen 1 ausgebildete Spalt 2 und dem nächstfolgenden Schlitz 3 ist dabei gleich dem Abstand zwischen jeweils zwei Schlitzen. In der Mitte je zweier derartiger, vom Spuleninnenrand ausgehender Schlitze 3 sowie in der Mitte zwischen Spalt 2 und nahegelegenem Schlitz 3 ist jeweils ein weitgehend gleichdimensionierter Schlitz 5 vom Außenrand der Spule senkrecht auf den Innenrand der Flachspule zu ausgebildet.

Allgemein lassen sich derartige einwindige Flachspulen erfindungsgemäß auch mit mehr oder weniger, vorzugsweise etwa zwei bis acht, derartiger, vom Innenrand senkrecht auf den Außenrand der Flachspule zu ausgebildeter und den Spalt zwischen den Spulenenden beim Übergang in die Stromzuführungen weitgehend entsprechender Schlitze, welche in der Länge vorzugsweise 70 bis 80% der Spulenbreite entsprechen, versehen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform einer derartigen einwindigen Flachspule, wie sie in der F i g. 3 abgebildet ist, wird der Innenrand an der Stelle gegenüber dem zwischen den Spulenenden beim Übergang in die Stromzuführungen 1 ausgebildeten Spalt 2 kreisbogenförmig erhalten und es wird lediglich vom Außenrand der Spule an dieser Stelle eine schlitzförmige Ausnehmung senkrecht auf den Innenrand der Spule zu ausgebildet. Eine derartige Induktionsheizspule wird bevorzugt zum Kristallziehen mit Keimkristall eingesetzt, wobei beim Ansetzen des Keimkristalls an den Polystab der Keimkristall nahe an diese Stelle aus der Spulenmitte herausgefahren wird.

Nach dem Ansetzen wird der Stab unter Ausbildung des

konusförmigen Übergangsstückes üblicherweise wieder in die Spulenmitte oder auch die Spule in die Stabmitte zurückgefahren.

Die erfindungsgemäßen einwindigen Induktionsheizspulen sind prinzipiell bei allen üblichen Zonenziehverfahren zur Herstellung von versetzungsfreien Halbleiterstäben aus beispielsweise Silicium, Germanium ode/111/V-Verbindungen, wie beispielsweise Galliumarsenid oder Galliumphosphid sowohl unter Schutzgas wie auch unter Vakuum, so beispielsweise auch beim DUnnhalsziehen, bei welchem zwischen Keimkristall und Polystab eine verengte Stelle ausgebildet wird, oder beispielsweise auch beim Wobbein, d. h. beim Zonen-

schmelzen eines kristallinen Stabes mit exzentrischer und konzentrischer Rotation des Monostabes, oder beispielsweise auch beim Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes unter seitlicher Verschiebung des wiedererstarrenden Stabteiles, einsetzbar.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einwindige Induktionsheizspule zur Herstellung von versetzungsfreien, einkristallinen Halbleiterstäben durch tiegelfreies Zonenschmelzen, gekennzeichnet durch ein oder mehrere dem zwischen den Spulenenden beim Obergang in die Stromzuführungen ausgebildeten Freiraum entsprechende Ausnehmungen, die um die Drehachse durch den Spulenmittelpunkt umlaufend angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen dem zwischen den Spulenenden beim Obergang in die Stromzuführungen ausgebildeten Freiraum und der nächstfolgenden Ausnehmung gleich dem Abstand zwischen jeweils zwei Ausnehmungen ist.

2. Induktionsheizspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule in ihrer Form den Umrissen eines gleichseitigen Vier- bis Achtecks folgt und in der Fortsetzung der Verbindungslinien zwischen Mittelpunkt und Ecken des jeweiligen Polygons nach außen auseinandergezogen ist unter Ausbildung von dem zwischen den Stromzuführungen ausgebildeten Schlitz entsprechenden Ausnehmungen.

3. Induktionsheizspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule in einander nachfolgenden 3 bis 7 angenähert kreisförmigen, gleichartigen Schlingen den Spulenmittelpunkt umläuft und in einer mittelpunktsfernen Krümmung in die Stromzuführung übergeht.

4. Induktionsheizspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule als einwindige Flachspule ausgebildet ist, die vom Innenrand senkrecht auf den Außenrand zu zwei bis acht dem Spalt zwischen den Spulenenden beim Übergang in die Stromzuführungen entsprechende Schlitze aufweist, welche in der Länge 70 bis 90% der Spulenbreite entsprechen, wobei der Abstand zwischen dem zwischen den Spulenenden beim Übergang in die Stromzuführungen ausgebildeten Spalt und dem nächstfolgenden Schlitz gleich dem Abstand zwischen jeweils zwei Schlitzen ist, und daß in der Mitte zwischen je zwei derartiger vom Spuleninnenrand ausgehender Schlitze, sowie in der Mitte zwischen Spalt und nächstgelegenem Schlitz jeweils ein weitgehend gleich dimensionierter Schlitz vom Außenrand der Spule senkrecht auf den Innenrand der Flachspule zu ausgebildet ist.

5. Induktionsheizspule nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber dem zwischen den Spulenenden beim Übergang in die Stromzuführungen ausgebildeten Spalt der Innenrand der einwindigen Flachspule kreisbogenförmig erhalten bleibt und lediglich vom Außenrand der Spule an dieser Stelle eine schlitzförmige Ausnehmung senkrecht auf den Innenrand der Spule zu verläuft.