DE2855446A1

DE2855446A1 - Induktionsheizspule und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2855446A1
Application number: DE19782855446
Authority: DE
Inventors: Noel Deleon
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1978-01-05
Filing date: 1978-12-21
Publication date: 1979-07-12
Also published as: JPS5497845A; JPS6124791B2; IT7831101A0; US4220839A; IT1101334B

Description

2855448 Dipl.-Phys. O.E. Weber ~* d-8 Manchen 71

Patentanwalt Hofbrunnstraße 47

Telefon: (089)7915050

Telegramm: monopolweber manchen

h 989

MOTOROLA ING.
East Algonquin Road
Schaumburg, 111. 60196
USA

Induktionslieizspule und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Die Erfindung "betrifft eine Induktionsheizspule zur Verwendung "beim Schmelzen eines kristallinen Materials ohne Tiegel, d. h. in einer sich über das kristalline Material "bewegenden, freien Schmelz zone, und die Erfindung "bezieht sich insbesondere auf eine solche Induktionsheizspule, welche dazu geeignet ist, besonders hochwertige Kristalle aus Halbleitermaterial nach dem Fließzonen-Verfahren zu schmelzen.

Grundsätzlich bekannte Flachspulen oder Scheibenspulen können aus einem massiven Material hergestellt werden und können demgemäß mit engen Toleranzen gefertigt werden. Solche Spulen sind auch robuster als gewickelte Spulen, und sie sind daher gegen Deformationen weniger gefährdet. Flachspulen oder Scheibenspulen sind in der Formgebung jedoch weniger flexibel, weil die Ströme an allen Oberflächen der Spule fließen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Induktionsheizspule der eingangs näher erläuterten Art zu schaffen, welche bei leichter Fertigung hinsichtlich der Stromverteilung verschiedensten Anwendungsfällen besonders leicht angepaßt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale.

Gemäß der Erfindung ist der wesentliche Vorteil erreichbar, daß die Stromverteilung in der Spule an der Oberseite unabhängig von der Stromverteilung auf der Unterseite oder an den Seitenflächen in vorgegebener Weise auf einfache Art genau eingestellt werden kann.

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Auf diese Weise können die im kristallinen Material induzierten Ströme in der Weise "beeinflußt werden, daß die fließende oder wandernde Schmelzzone in gewünschter Weise gesteuert werden kann.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist vorgesehen, daß eine einzige, wassergekühlte Windung eines Leitermaterials derart geformt ist, daß es das Halbleitermaterial im wesentlichen umschließt, daß das Leitermaterial eine Oberseite, eine Unterseite, und Seitenflächen aufweist, und daß Vorkehrungen getroffen sind, um die Stromverteilung auf der Oberseite, der Unterseite und den Seitenflächen jeweils unabhängig in vorgegebener Weise zu steuern.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer Induktionsheizspule. Vorzugsweise ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Oberfläche der Spule derart verändert wird, daß die Stromverteilung in der Spule gesteuert wird. Dabei kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, daß Schlitze in der Oberfläche des Spulenmaterials ausgebildet werden. Weiterhin kann vorzugsweise vorgesehen sein, daß die Oberfläche der Spule in der Weise verändert wird, daß ein fester Leiter auf die Oberfläche der Spule aufgesetzt wird.

Auf diese Weise kann die Herstellung einer Induktionsheizspule in besonders einfacher Weise durchgeführt werden, und es kann außerdem die an sich fertiggestellte Induktionsspule nachträglich auf besonders einfache Weise derart korrigiert werden, daß die Stromverteilung in gewünschter Weise verändert wird.

Es können nämlich abwechselnd entweder weitere Schlitze angebracht oder vorhandene Schlitze weiter ausgedehnt werden,

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oder es können bereits vorhandene Schlitze wieder ausgefüllt und durch Leiterstreifen ersetzt werden.

Durch geeignete Verteilung von Schlitzen und aufgesetzten oder eingesetzten massiven Lederstreifen kann die Stromverteilung in praktisch beliebiger Weise gesteuert und auch gegebenenfalls nachträglich in der Weise verändert werden, daß allen praktisch vorstellbaren Erfordernissen bei der Durchführung des Fließzonen-Schmelzverfahrens Rechnung getragen werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Pig. 1 eine perspektivische Darstellung einer bekannten Induktionsheizspule,

Pig. 2 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Induktionsheizspule ,

Mg. 3 und 4 eine Ansicht von oben bzw. von unten der erfindungsgemäßen Induktionsheizspule, und

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Induktionsheizspule.

Die Fig. 1 zeigt eine typische bekannte Induktionsheizspule 10. Sie besteht aus zwei konzentrischen Spulenteilen, nämlich einer kleineren oberen Spule 12 und einer größeren unteren Spule 14. Die Spulen 12 und 14 könnten aus Kupferrohr oder einem geeigneten anderen leitenden Material hergestellt sein. Die zwei Spulen sind an der Verbindungsstelle 16 aneinander gefügt, so daß die beiden Spulen elektrisch parallel geschaltet sind. Die gemeinsamen Enden 17 und 19 der Gesamtspule sind an eine Hochfrequenz-Energiequelle angeschlossen und

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außerdem an ein Wasserkühlsystem. Es strömt Wasser durch die Hohlrohre der Spulen, um die Spulen zu kühlen, da sie in der Nähe des geschmolzenen kristallinen Materials angeordnet werden. Die zwei Spulen gewährleisten, daß. eine ausreichende Energienmenge in das kristalline Material eingekoppelt wird, um den gesamten Querschnitt des Materials zum Schmelzen zu bringen. Die kleinere Spule 12 bewirkt eine induktive Kopplung mit dem zentralen Bereich der Schmelze, während die größere Spule 14- eine Kopplung mit dem äußeren Bereich der Schmelze herbeiführt, um eine in zweckmäßiger Weise geformte Gefrierzone auszubilden. Die zwei Spulen 12 und 14 wirken gemeinsam in der Weise, daß die Schmelze stabilisiert wird. Bei der bekannten Spule ist nur eine einzige Windung wirksam, so daß bei dem wachsenden Kristall die Tendenz besteht, daß er in einer unkontrollierten Sichtung spiralenförmig ausgebildet wird.

Die Fig. 2 veranschaulicht in einem Querschnitt eine HF-Induktionsspule 18 gemäß der Erfindung. Die Spule 18 ist zusammen mit einem Siliziumstab dargestellt, der durch ein Fließzonen-Verfahren aufbereitet oder gefeint wird. In der Zeichnung ist anhand einer bevorzugten Ausführungsform die Aufbereitung eines Siliziumstabes bestimmter Größe veranschaulicht. Der zugeführte polykristalline Stab 20, der einen Durchmesser von etwa 50 bis 80 Millimeter aufweist, wird in dem Aufbereitungsvorgang, der auch als Feinungsvorgang bezeichnet wird, in einer freien Anordnung ohne Verwendung eines Schmelztiegels in einen Einkristallstab umgewandelt, dessen Durchmesser etwa 75 ^>is 110 Millimeter beträgt. Es ist ersichtlich, daß diese Darstellung in der Zeichnung nur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht. Für den Fachmann ist dabei verständlich, daß innerhalb des Rahmens der Erfindung mannigfache

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Modifikationen vorgesehen werden können, um andere Materialien oder andere Größen von Stäben nach derselben erfindungsgemäßen Methode aufzubereiten. Die geschmolzene Zone oder Schmelzzone 24- des Siliziummaterials wird auf einen geringeren Durchmesser eingeschnürt, um durch die Mitte der Spule 18 hindurchzugehen. Die Schmelzzone wird durch Ströme aufgeheizt, welche mittels der Induktionsspule in dem Stab induziert werden. Die Spule kann beispielsweise eine Dicke von etwa 10 "bis 15 Millimeter an ihrem äußeren Hand aufweisen und sich "bis auf wenige Zehntel Millimeter zur Mitte hin verjüngen.

Die Pig. 3 zeigt die Induktionsspule 18 in einem Grundriß. Die Spule 18 kann aus Kupfer, Silber oder einem anderen Material mit guter Leitfähigkeit hergestellt werden. Der Außendurchmesser der Spule 18 kann beispielsweise etwa 90 bis 140 Millimeter betragen, und der Innendurchmesser kann etwa 20 bis 35 Millimeter sein, wobei die Öffnung kreisförmig, oval oder auch anderweitig geformt sein kann. Ein Spalt 26 ist in der toroidförmigen Spule 18 ausgebildet, so daß die Spule eine einzige Windung aufweist, welche das kristalline Material im wesentlichen vollständig umgibt. Um eine Kühlung für die Spule herbeizuführen, ist ein Schlitz 28, welcher durch gestrichelte Linien angedeutet ist, in der Oberfläche der Spule vorgesehen. In diesen Schlitz wird ein Stück eines Rohres 29 hineingedrückt, welches Enden JO und 32 aufweist. Als Rohr kann zweckmäßigerweise ein Kupferrohr mit einem Durchmesser von 5 Millimeter verwendet werden. Das Rohr ist in den Schlitz 28 eingelötet oder geschweißt, und die Oberfläche der Spule 18 ist glatt geschliffen. Im Betrieb werden die Enden 30 und- 32 des Kupferrohres an eine Wasserquelle angeschlossen und weiterhin an eine HF-Energiequelle. Es ist weder die Wasserquelle noch die Energiequelle dargestellt. Die Wasserkühlung ist erforderlich, um die Spule 18 vor dem Schmelzen zu bewahren, da aufgrund der hohen Ströme andernfalls die Spule zum Schmelzen gebracht werden könnte.

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In der Spule 18 fließen Ströme, welche von dem HF-Generator erzeugt werden. Die Stromverteilung in der Spule kann dadurch beeinflußt werden, daß in selektiver Weise eine Anzahl von Schlitzen 34- in. die Oberfläche der Spule hineingesägt werden. Durch entsprechende Steuerung der Stromverteilung ist es möglich, die Ausbildung des elektrischen Feldes zu beeinflussen und auf diese Weise den im Siliziumstab induzierten Strom in seiner Yerteilung in zweckmäßige!' Weise zn sbeuern. Bei der beim Fließzonen-Schmelzverfahren angewandten Hochfrequenz-Energie (etwa 2 bis 5* MSz) ist die Eindringtiefe der Ströme in das Kupfer geringer als 0,05 Millimeter, und es fließt folglich der gesamte Strom praktisch an der Oberfläche der Spule. Folglich ist ein eingesägter Schlitz 34-von etwa 1 Millimeter Breite und etwa 1 bis 2 Millimeter Tiefe ausreichend, um lokal die elektrische Impedanz zu vergrößern. Es hat sich gezeigt, daß etwa 20 bis 25 radial gerichtete, eingesägte Schlitze 34- auf der Oberseite der Spule ausreichend sind, um die Stromverteilung in der gewünschten Weise zu steuern. Diese Schlitze können gleichförmig um den Umfang der Spule verteilt sein oder sie können asymmetrisch angeordnet sein, um eine spezielle Verteilung herbeizuführen. Um den mittleren Bereich des-Stabes 20 aufzuheizen und um die Stabilisierung der Schmelze zu unterstützen, können die eingesägten Schlitze 34- auf der Oberseite der Spule 18 in Richtung auf den Außenumfang der Spule orientiert sein und können sich über den Sand der Spule hinaus erstrecken, wobei der innere Teil der Spule von Schlitzen frei ist. Diese Anordnung der Schlitze 34- zwingt den Strom zur Mitte der Spule hin und läßt den Außenumfang der Spule von Strömen verhältnismäßig frei. Die eingesägten Schlitze 34- können sich beispielsweise von etwa 80 Millimeter von der Mitte der Spule entfernt bis zum äußeren Rand der Spule erstrecken.

ist

Die Unterseite der Induktionsspule 18/in der S¹Xg. 4- dargestellt. Die Stromverteilung auf dieser Fläche der Spule

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ist ähnlich wie auf der Oberseite gestaltet, und zwar durch eingesägte Schlitze 36, welche in die Oberfläche der Spule hineingesägt sind. Die eingesägten Schlitze 36 auf der Unterseite der Spule müssen nicht mit den eingesägten Schlitzen 34 auf der Oberseite der Spule identisch sein. Auf diese Weise können die Stromverteilungen auf der Oberseite und der Unterseite der Spule unabhängig voneinander eingestellt werden, i'iir das hier beschriebene, bevorzugte Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes hat sich gezeigt, daß es zweckmäßig ist, 30 bis 40 äquidistante radiale Schlitze vorzusehen, welche sich von etwa 20 Millimeter von der Mitte der Spule aus bis zu etwa 40 Millimeter von der Mitte erstrecken. Auf diese Weise wird der Strom dazu gebracht, in den inneren und den äußeren Bereich des Bodens der Spule 18 auszuweichen, so daß der Strom im Mittelteil vermindert oder praktisch eliminiert wird.

Die -B¹Ig. 5 zeigt eine Schmelzzonen-Induktionsspule 18, welche auf der Oberseite eingesägte Schlitze 34 aufweist, um eine spezielle Stromverteilung herbeizuführen. Zusätzlich zu den eingesägten Schlitzen ist jedoch eine weitere Technik angewandt, um die Stromverteilung zu ändern. Die eingesägten Schlitze werden dazu verwendet, in bestimmten Bereichen der Spule die Oberflächenimpedanz zu vergrößern. In alternativer Weise wird die Impedanz dadurch vermindert, daß massive Leiterstreifen 38 auf die Oberseite der Spule aufgeschweißt oder aufgelötet oder in anderer Weise aufgesetzt werden, um lokal die Stromdichte anzuheben. Ein Schlitz kann in der Oberfläche der Spule ausgebildet sein, und ein massiver Streifen 38 aus Kupfer oder einem anderen leitenden Material kann in den Schlitz eingesetzt sein. Der Streifen 38 kann mit der Spulenoberfläche bündig sein, kann aus der Oberfläche herausragen oder kann in die Oberfläche zurückspringen, je nach dem angestrebten Verwendungszweck. Die Verwendung der

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Streifen 38 ist dann zweckmäßig, wenn die ordnungsgemäße Anordnung der eingesägten Schlitze 34- "bestimmt wird. Wenn dies geschehen ist, -und wenn sich beispielsweise herausstellen sollte, daß die eingesägten Schlitze sich über einen zu großen Radius erstrecken, kann das unerwünschte Ende des eingesägten Schlitzes herausgearbeitet werden, und es kann ein Streifen 38 eingesetzt werden, um die Kupferspulenoberflaehe wieder herzustellen, so daß wieder derjenige Zustand herbeigeführt wird, der vor dem Einsägen der Schlitze vorhanden war. "Von besonderer Bedeutung ist es jedoch, daß die Streifen 38 ein zusätzliches Maß an Flexibilität "bei der Einstellung einer gewünschten Stromverteilung gewährleisten. Es hat sich insbesondere als zweckmäßig erwiesen, einen Streifen 38 auf die Kupferoberfläche der Spule 18 aufzusetzen, der konzentrisch zur Spule angeordnet ist, einen Innendurchmesser von etwa 50 bis 60 Millimeter aufweist und einen Außendurchmesser von etwa 80 bis 85 Millimeter hat. Ein solcher Streifen sollte zweckmäßigerweise etwa 2 Millimeter über die ursprüngliche Oberfläche der Spule 18 hinausragen. Ein solcher Streifen 38 ermöglicht eine viel größere Flexibilität im Durchmesser des zugeführten Stabes 20, der nach dem Fließzonen-Verfahreri verarbeitet werden kann. Der Streifen 38 ist in Verbindung mit den eingesägten Schlitzen 34- auf der Oberseite der Spule. Bei anderen Anwendungsfällen kann es zweckmäßig sein, solche Streifen entweder nur auf einer oder aber auch auf beiden Seiten anzubringen. Die Streifen können in Verbindung mit den Schlitzen verwendet werden, oder sie können auch für sich alleine angebracht werden.

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Claims

Patentansprüche

[1.,Verfahren zur Herstellung einer Induktionsheizspule zum i'ließzonen-Schmelzen eines kristallinen Materials, dadurch gekennz eichnet, daß die Oberfläche der Spule (18) derart verändert wird, daß die Btromverteilung in der Spule (18) gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Spule (18) in der Weise verändert wird, daß Schlitze (34, 36) in die Oberfläche eingesägt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Spule (18) in der Weise verändert wird, daß ein fester Leiter (38) auf die Oberfläche der Spule aufgesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Spule (18) dadurch verändert wird, daß Schlitze (34, 36) in die Oberfläche eingesägt werden und daß außerdem feste Leiterstücke (38) auf die Oberfläche aufgesetzt werden.
5. Induktionsheizspule, insbesondere Flachspule, zur Verwendung beim I'ließzonen-Schmelzen von Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige, wassergekühlte Windung eines Leitermaterials derart geformt ist, daß es das Halbleitermaterial im wesentlichen umschließt, daß das Leitermaterial eine Oberseite, eine Unterseite und Seitenflächen aufweist, und daß Vorkehrungen getroffen sind, um die Stromverteilung auf der Oberseite, der Unterseite und den Seitenflächen jeweils unabhängig in vorgegebener Weise zu steuern.

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6. Induktionsheizspule nach. Anspruch. 5, dadurch, gekennzeichnet, daß zur Beeinflussung der Stromverteilung in vorgegebener Weise positionierte Schlitze (34-, 36) in der Oberseite des Leitermaterials ausgebildet sind und daß Metallleiterstreifen (38) auf der Oberfläche angeordnet sind.
7. Induktionsheizspule nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (34-, 36) in radialer Richtung angeordnet sind.
8. Induktionsheizspule nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (34-» 36) jeweils voneinander unabhängig auf der Oberseite, der Unterseite und den Seitenflächen angeordnet sind.
9. Induktionsheizspule zur Verwendung bei einem freien Schmelzen von Halbleitermaterial ohne Tiegel, dadurch gekennzeichnet, daß eine Flachspule oder Scheibenspule aus Kupfer mit einer einzigen Windung vorgesehen ist, daß radial gerichtete Schlitze (34-) i^· Bereich des Außenumfangs der Oberseite der Spule vorhanden sind, daß radial gerichtete Schlitze (36) im mittleren Bereich der Unterseite der Spule vorgesehen sind und daß ein konzentrischer Streifen aus einem Leitermaterial (38) auf der Oberseite der Spule angeordnet ist und aus der Oberfläche herausragt.
10. Induktionsheizspule nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze eine Breite von einem Millimeter und eine Tiefe von etwa zwei Millimeter aufweisen.

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