DE2938793A1

DE2938793A1 - Induktionsheizspule zum tiegelfreien zonenschmelzen

Info

Publication number: DE2938793A1
Application number: DE19792938793
Authority: DE
Inventors: Dr.rer.nat. Wolfgang 8000 München Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-09-25
Filing date: 1979-09-25
Publication date: 1981-04-16
Also published as: DE2938793C2

Description

Induktionsheizspule zum tiegelfreien Zonenschmelzen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Induktionsheizspule zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Stäben aus Halbleitermaterial.
Beim tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterial läßt man eine durch eine Induktionsheizspule erzeugte Schmelzzone durch einen stabförmigen Körper aus Halbleitermaterial wandern. Hierbei werden Verunreinigungen an das eine Ende des Stabes transportiert. Oft wird das Verfahren auch zum Einkristallzüchten verwendet, indem an das eine Ende des Halbleiterstabes ein Keimkristall angeschmolzen und von diesem ausgehend eine Schmelzzone durch den Stab geführt wird. Der stabförmige Körper wird hierbei meist lotrecht stehend mit seinen Enden in Halterungen eingespannt.
Eine hierfür geeignete Spule ist aus der DE-PS 12 26 984 bekannt. Diese als Flachspule ausgebildete Heizspule hat gegenüber einer Zylinderspule den Vorteil einer wesentlich geringeren axialen Erstreckung der Schmelzzone, wodurch eine Erhöhung der Stabilität der Schmelzzone erreicht wird. Dies ist insbesondere beim tiegelfreien Zonenschmelzen von Siliciumeinkristallstäben mit großen Durchmessern von Bedeutung.
Aus der DE-PS 18 09 857 ist eine Induktionsheizspule zu entnehmen, welche ebenfalls als Flachspule ausgebildet ist und aus einer einwindigen Anordnung besteht, wobei diese Windung in der Spulenebene einen langgestreckten, sich nach außen erweiternden Querschnitt aufweist. Eine solche Induktionsheizspule hat gegenüber einer Ringspule mit kreisförmigem Querschnitt und gleicher Spulenhöhe in Achsrichtung des Halbleiterkristallstabes gemessen eine verminderte Induktivität, die bei gleicher Schmelzleistung einen geringeren Spannungsabfall an der Heizspule und damit eine kleinere Uberschlagsneigung in einer mit Schutzgas, beispielsweise Argon, gefüllten Zonenschmelzkammer aufweist. Außerdem besitzt diese Spule den Vorteil einer gleichmäßigeren Feldverteilung und einer erhöhten Stützwirkung der Schmelzzone.
Beim Ziehen von Halbleiterstäben mit größeren Durchmessern als dem Innendurchmesser der Induktionsheizspule kann man die Spule am Stabende nur ausfädeln, wenn man den Halbleiterstab am Stab ende auseinanderzieht oder bricht. Das ist ungünstig, wenn mehrere Schmelzzonendurchgänge gemacht werden müssen, wie es beispielsweise beim Herstellen versetzungsfreier Halbleiterstäbe der Fall ist. Hier muß entweder vor Ziehbeginn ein Ansatzstück an das Stabende angeschmolzen werden, welches dünner als der Spuleninnendurchmesser ist, oder es muß vor Jedem Zonenschmelzdurchgang ein neues Ansatzstück angeschmolzen werden. Beide Methoden sind sehr umständlich und teuer, vor allem bei der Herstellung von Halbleiterstäben mit großen Durchmessern, d.h. von Durchmessern im Bereich von 60 bis 80 mm und darüber.
Daher ist gemäß deutscher Offenlegungsschrift 23 04 974 bereits vorgesehen, daß die Induktionsheizspule zum tiegelfreien Zonenschmelzen zerlegbar aufgebaut ist und mindestens zwei Bauteile aufweist, die durch Schraubverbindungen und für die Kühlung vorgesehene Abdichtungen miteinander verbunden sind.
Mittels einer solchen Induktionsheizspule ist es möglich, Halbleiterstäbe mit größerem Durchmesser als dem Innendurchmesser der Spule durch das tiegelfreie Zonenschmelzen herzustellen, ohne daß die Spule nach Beendigung des Schmelzzonendurchganges ausgefädelt oder der Halbleiterstab auseinandergezogen oder gebrochen werden muß. Dies ist insbesondere wichtig bei der Herstellung versetzungsfreier Siliciumeinkristalle, bei der oft mehrere Schmelzzonendurchgänge erforderlich sind.
Bei solch speziell gestalteten Induktionsspulen treten aber immer noch Kühlprobleme auf. An den Verschraubungen entstehen auch Deformationen der HF-Felder, welche Widerstandsinhomogenitäten, die auf Dotierungsschwankungen im Halbleiterstab zurückzuführen sind, zur Folge haben.
Daher versuchte man, wie in der DE-OS 27 37 342 beschrieben, das Problem dadurch zu lösen, daß ein in der Spulenebene einen langgestreckten Querschnitt aufweisendes Windungsteil mit dem Außenrand der einen ovalen Querschnitt aufweisenden Innenwindung direkt verbunden ist und die Stromzuführungen zur Spule gleichzeitig als Kühlwasserzuführungen ausgebildet und mit dem innersten Windungsteil verbunden sind. Durch diese Konstruktion wird erreicht, daß der gesamte Innenrand der Spule gleichmäßig vom HF-Strom durchflossen wird.
Wenn eine derartige Spule teilbar aufgebaut sein soll, entsteht immer das Problem der Dichtung an der Trennfuge, das trotz aller Anstrengungen wegen der starken thermischen Beanspruchung von elektrisch und thermisch gut leitendem Material wie Kupfer und/oder Silber bisher zufriedenstellend richt zu lösen war.
Die vorliegende Erfindung, die sich auf eine Induktionsheizspule zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Stäben aus Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, die in Form einer einwindigen Flachspule aufgebaut ist und Mittel zur Flüssigkeitskühlung besitzt, bezieht, sieht zur Überwindung dieser Schwierigkeiten vor, daß zur Kühlung zwei voneinander unabhängige Flüssigkeitskreislaufsysteme Verwendung finden.
Neben einer zuverlässigen Dichtung wird dabei auch noch eine besonders gute Kühlung bei großer HF-Leistung erreicht.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Spule teilbar ist und aus zwei symmetrischen Hälften besteht und daß jede dieser Hälften ihr eigenes unabhängiges Flüssigkeitskreislaufsystem enthält. Dabei kann entweder das Flüssigkeitskreislaufsystem in Form von Bohrungen im Spulenkörper gebildet sein oder es kann das Fltssigkeitskreislaufsystem aus auf die Flachspule aufgeschweißten bzw. aufgelöteten Kühlschlangen bestehen.
Die für die Teilung vorgesehene Trennfuge ist zweckmäßigerweise senkrecht zur Spulenebene angeordnet.
In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens sind an den Trennflächen Verbindungen aus leitendem Material vorgesehen. Gemäß einem besonders günstigen AusfUhrungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung bestehen diese Verbindungen aus versilbertem Messing und sind durch Hartlöten an den Inneneinsatzhälften befestigt.
Für die Schraubverbindungen sind im gut leitenden Spulenmaterial vorzugsweise Einsätze aus Stahl geeignet.
Eine besondere Ausführungsform gemäß vorliegender Erfindung sieht vor, daß am Außenrand der Spule eine Erdungsschelle angebracht ist; zweckmäßigerweise ist die Erdungsschelle in dem den Stromanschlüssen und Kühlwasserzuführungen gegenüberliegenden Bereich der Spule angeordnet.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1 einen in der Spulenebene liegenden Schnitt durch die Spule,bei der das Flüssigkeitskreislaufsystem in Form von Bohrungen im Spulenkörper gebildet ist.
Die aus Kupfer oder Silber gefertigte Spule 1 besteht aus zwei symmetrisch ausgebildeten Hälften, die über die Trennfuge 10 miteinander elektrisch und mechanisch verbunden sind. Die mechanische Verbindung wird durch die Verschraubung 5 bewerkstelligt, die gemäß vorliegender Erfindung keine Wasserführung mehr enthält.
Die Bohrungen im Spulenkörper sind so geführt, daß zwei voneinander unabhängige Systeme 3 für die eine und 4 für die andere Spulenhälfte entstehen. Der Flüssigkeitsverlauf ist durch die Pfeile 8 für das eine bzw. 9 für das andere System gekennzeichnet.
Die Anschraubklötzchen 2 der Spule 1 sind in Fig. 2 in der Vorderansicht dargestellt. Sie sind an den Stirnflächen mit Silber plattiert und weisen im Bereich der Bohrungen 11 und 12 für das eine und 13 und 14 für das andere Kühlsystem Gummidichtungen 6 auf. Mit 7 sind die Befestigungslöcher zum Anschrauben an die HF-Durchführung bezeichnet.
Die Induktionsheizspulen gemäß der Erfindung können nicht nur beim tiegelfreien Zonenschmelzen in einer Schutzgasatmosphäre verwendet werden, sondern mit ähnlichen Vorteilen auch beim tiegelfreien Zonenschmelzen im Vakuum. Durch ihre spezielle Ausbildung ist bei ihrer Verwendung die Möglichkeit gegeben, Siliciumeinkristallstäbe mit Durchmessern von mehr als 80 mm und Längen von 100 cm völlig versetzungsfrei herzustellen.
11 Patentansprüche 2 Figuren

Claims

Patentansprüche 9 Induktionsheizspule zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Stäben aus Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, die in Form einer einwindigen Flachspule aufgebaut ist und Mittel zur Flüssigkeitskühlung besitzt, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Kühlung zwei voneinander unabhängige Flüssigkeitskreislaufsysteme vorgesehen sind.
2. Induktionsheizspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie teilbar ist und aus zwei symmetrischen Hälften besteht und daß jede dieser Hälften ihr eigenes unabhängiges Kühlflüssigkeitskreislaufsystem enthält.
3. Spule nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkeitskreislaufsystem in Form von Bohrungen im Spulenkörper gebildet ist.
4. Spule nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkeitskreislaufsystem aus auf die Flachspule aufgeschweißten bzw. aufgelöteten Kühlschlangen besteht.
5. Spule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Teilung vorgesehene Trennfuge senkrecht zur Spulenebene angeordnet ist.
6. Spule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Trennflächen Verbindungen aus leitendem Material vorgesehen sind.
7. Spule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie im Bereich der Trennfuge mit einem Silberbelag versehen ist.
8. Spule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Kupfer oder Silber besteht.
9. Spule nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Schraubverbindungen im gut leitenden Spulenmaterial Einsätze aus Stahl verwendet sind.
10. Spule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß am Außenrand der Spule eine Erdungsschelle angebracht ist.
11. Spule nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdungsschelle an dem den Stromanschlüssen und Kühlwasserzuführungen gegenüberliegenden Bereich der Spule angeordnet ist.