DE3048236A1

DE3048236A1 - Induktiv beheizter schmelzofen fuer elektrisch schlecht leitendes material

Info

Publication number: DE3048236A1
Application number: DE19803048236
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. 6450 Hanau Grimm
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1980-12-20
Filing date: 1980-12-20
Publication date: 1982-07-15

Description

Induktiv beheizter Schmelzofen für elektrisch
schlecht leitendes Material Die Erfindung betrifft einen induktiv beheizten Schmelzofen für mindestens bei niedrigen Temperaturen elektrisch schlecht leitendes Material, bei dem sich innerhalb einer von Wechselstrom durchflossenen Heizspule sowohl das Schmelzgut als auch ein elektrisch leitfähiger Körper befindet.
Ein derartiger Schmelzofen ist in dem "Journal of Crystal Growth" 46 (1979), Seiten 527 bis 533, beschrieben und insbesondere in Bigur 2 auf Seite 529 dargestellt. Bier wird zum Zonenschmelzen von Silizium in einer von Hochfrequenz-Wechselstrom-durchflossenen Spule ein aus Graphit bestehender und das Schmelzgut enthaltender Graphittiegel bewegt. Das bei Raumtemperatur sehr schlecht leitende Silizium wird durch die durch Wirbelströme aufge- heizte Wand des Graphittiegels erwärmt und verflüssigt sich in einem Bereich, in dem der Graphittiegel von der Hochfrequenzspule umgeben ist.
Weiterhin ist es zur Herstellung von Bändern oder Drahten aus Silizium aus der DE-OS 28 30 522 bekannt, an dem Boden eines Behälters mit flüssigem Silizium eine Abstichöffnung vorzusehen und das dort austretende Silizium auf eine elektrisch leitende, gekühlte Fläche aufzuspritzen. Als gekühlte Fläche dient die Oberfläche einer rotierenden Trommel, von der das Siliziumband abgenommen und auf einer zweiten Trommel aufgewickelt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, einen Schmelzofen für elektrisch schlecht leitendes Material anzugeben, bei dem gegenüber der erstgenannten, bekannten Anordnung erreicht wird, daß wesentlich geringere Abstrahlungsverluste nach außen entstehen, und bei dem zusätzlich eine weitgehend gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Schmelze zu erreichen ist.
Dabei wird der letztere Vorteil insbesondere bei solchen Materialien erreicht, dessen elektrische Leitfähigkeit bei höheren Temperaturen zunimmt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Heizspule einen Schmelztiegel bestehend aus elektrisch isolierendem Material umgibt und daß in dem Schmelztiegel einerseits der elektrisch leitfähige Körper und andererseits das Schmelzgut so angeordnet ist, daß sich mindestens ein Teil des Schmelzgutes zwischen der Wand des Schmelztiegels und des elektrisch leitenden Körpers befindet.
Ein Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Schmelzofen ist in der Zeichnung im Querschnitt dargestellt. Hier wird angenommen, daß das Schmelzgut Silizium ist, dessen spezifischer Widerstand bei 250C etwa 64 000 Ohm cm, bei 2500C etwa 6 Ohm cm und bei 750°C etwa 0,05 Ohm cm beträgt. Zur Aufnahme dieses Schmelzgutes 7 dient ein Schmelztiegel 8, dessen Wände und Boden aus elektrisch isolierendem Material bestehen müssen, vorzugsweise wird hierfür Quarzglas verwendet. Der Schmelztiegel 8 ist von einer Heizspule 6 umgeben, in der Mittel- oder Hochfrequenzwechselstrom fließt, wie dies bei Induktionsheizung üblich ist. Die Anschlüsse für die Reiz spule 6 und deren Isolierung sowie die eventuell vorhandene Wärmeisolation des Schmelztiegels 8 können in bekannter Weise ausgeführt werden und sind deshalb in der Zeichnung nicht mit dargestellt.
Der Schmelztiegel 8 wird am oberen Ende von einer Kappe 3 verschlossen, in die gasdicht eine Rohrdurchführung 2 eingesetzt ist. Die Kappe 3 besteht beispielsweise aus Edelstahl; die Verwendung von elektrisch isolierendem Material ist hier nicht notwendig, da sich die Kappe 3 nicht im Bereich des Magnetfeldes der Heizspule 6 befindet. Die Rohrdurchführung 2 dient dabei zur Zuführung des Schmelzgutes, zur eventuellen Evakuierung des Schmelztiegels 8, bzw. dazu, ein Schutzgas, wie z.B. Argon, in den Schmelztiegel zu bringen.
Im Ausführungsbeispiel ist der Schmelztiegel 8 zylindrisch ausgebildet und konzentrisch zu der Achse dieses Zylinders ragt durch die Kappe 3 ein Halter 4 für einen elektrisch leitenden Körper 5 in den Schmelztiegel 8 hinein.
Der elektrisch leitende Körper 5 ist hier als zylindrischer Stab ausgebildet und besitzt ein sich konisch verJüngendes unteres Ende, das auf dem Rand einer entsprechend ausgebildeten Abstichöffnung 11 am Boden des Schmelztiegels 8 aufliegen kann, Außerdem ist der Ralter 4 mit einer zentrischen Sackbohrung versehen, in die ein Thermoelement 1 eingesetzt ist, so daß die Temperatur des Schutzgases bzw. des elektrisch leitenden Körpers im unteren Bereich des Schmelztiegels 8 gemessen, überwacht und gegebenenfalls geregelt werden kann.
Der Halter 4 ist in Achsialrichtung beweglich angeordnet, so daß durch den elektrisch leitenden Körper 5 die Abstichöffnung 11 wahlweise geöffnet oder geschlossen werden kann. Zur Verbesserung der achsialen Führung des Halters besitzt dieser Rippen 12, die sich an die Innenwand des Schmelztiegels 8 anlegen und gleichzeitig als Strahlungsschutz nach oben wirken. Die Rohrdurchführung 2 ist durch die Rippen 12 ebenfalls hindurchgeführt. In der Kappe 3 ist der Halter 4 mit Hilfe einer Ringdichtung 9 gelagert. Zur Befestigung des als elektrisch leitenden Körpers 5 vorgesehenen Stabes in dem Halter 4 dient ein Wolframstift 10. Der elektrisch leitende Körper 5 besteht üblicherweise aus Graphit. Es kann jedoch besonders vorteilhaft sein, wenn man hier ein gut wärmeleitendes Material mit hoher Härte verwendet, wie z.B.
Wolfram oder Titandiborit. Ein Schmelzofen nach dieser Erfindung ist beispielsweise vorteilhaft geeignet, Salze oder Kunststoffe zu schmelzen. Letztere können unmittelbar aus dem Schmelztiegel gespritzt und zur Beschichtung eines Trägermaterials verwendet werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sei beabsichtigt, amorphes Silizium herzustellen. Hierzu wird der Schmelztiegel 8 in einem evakuierten Raum angeordnet und die Ausbildung der Abstichöffnung 11 in Verbindung mit dem konisch zulaufenden Ende des elektrisch leitenden Körpers 5 so ausgebildet, daß eine Sprühdüse entsteht. In der Nähe dieser als Sprühdüse wirkenden Abstichöffnung 11 ist eine gut wärmeleitende, gekühlte Fläche 13 vorgesehen, die beispielsweise auch die Oberfläche einer Trommel wie in DE-OS 28 30 522 sein kann.
Beim Aufheizen des Schmelzgutes werden nennenswerte Wirbelströme zunächst nur in dem elektrisch leitenden Körper 5 entstehen. Dieser heizt sich auf und gibt seine Wärme ringförmig an das Schmelzgut ab. Im Gegensatz zur bekannten Anordnung mit einem aus elektrisch leitendem Material bestehenden Tiegel treten dabei wesentlich weniger Wärmeverluste auf, da der elektrisch leitende Körper 5, der beispielsweise auch aus kugel-, stab-oder gitterförmigen Einsätzen bestehen könnte, allseitig vom Schmelzgut umgeben ist. Eine direkte Abstrahlung der im elektrisch leitenden Körper 5 entstehenden Wärme nach außen ist also nicht möglich.
Bei weiter ansteigenden Temperaturen im Schmelzgut wird dieses - wenn es Silizium ist - elektrisch leitfähig, so daß in zunehmendem Maße auch Wirbelströme im Schmelzgut selbst induziert werden. Da das durch die Spule induzierte Wechselfeld durch die Ausbildung des Schmelztiegels 8 aus elektrisch isolierendem Material von dem Schmelzgut nicht mehr abgeschirmt wird, wird die Ausbildung von Wirbelströmen im Schmelzgut selbst begünstigt.
Dies hat zusätzlich zur Folge, daß das Schmelzgut gut durchmischt wird. Man erreicht also neben verringerten Wärmeabstrahlungsverlusten eine wesentlich gleichmäßigere Temperaturverteilung in der Schmelze und vermeidet außerdem, daß in der Nähe der Abstichöffnung eine etwas abgesenkte Temperatur herrscht.
Dieser Effekt, der in besonders vorteilhafter Weise beim Schmelzen von Silizium auftritt, gestattet in Verbindung mit der gekühlten Fläche 13 und der Ausbildung der Abstichöffnung als Sprühdüse auch amorphes Silizium mindestens in Pulverform herzustellen. Wesentlich trägt zu dieser Möglichkeit bei, daß als Verschlußstück für die Abstichöffnung ebenfalls elektrisch leitendes Material verwendet wird. Das durch die Abstichöffnung 11 strömende Silizium wird also zusätzlich zu den induzierten Wirbelströmen durch Wärmeleitung beheizt. Die Abkühlung der austretenden Siliziumteile beginnt also erst nach vollständigem Verlassen der Abstichöffnung 11. Hierdurch läßt sich eine wesentlich höhere Bbkuhlungsrate als bei bekannten Anordnungen erzielen.

Claims

Patentansprüche 1. Induktiv beheizter Schmelzofen für mindestens bei edrigen Temperaturen elektrisch schlecht leitendes Material, bei dem sich innerhalb einer von Wechselstrom durchflossenen Heizspule (6) sowohl das Schmelzgut (7) als auch ein elektrisch leitfähiger Körper (5) befindet, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Heizspule (6) einen Schmelztiegel (8) bestehend aus elektrisch isolierendem Material umgibt und daß in dem Schmelztiegel (8) einerseits der elektrisch leitfähige Körper (5) und andererseits das Schmelzgut (7) so angeordnet sind, daß sich mindestens ein Teil des Schmelzgutes (7) zwischen der Wand des Schmelztiegels (8) und des elektrisch leitenden Körpers (5) befindet.
2. Induktiv beheizter Schmelzofen nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als elektrisch leitfähiger Körper (5) ein Stab in der Mittelachse des zylindrisch ausgebildeten Schmelztiegels (8) angeordnet ist.
3. Induktiv beheizter Schmelzofen nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der als Stab ausgebildete elektrisch leitfahige Körper (5) eine Innenbohrung aufweist, in die ein Thermoelement (1) hineinragt.
4. Induktiv beheizter Schmelzofen nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e 1 c h n e t , daß am Boden des Schmelztiegels (8) eine Abstichöffnung (11) vorgesehen ist und daß der elektrisch leitfahige Körper (5) gleichzeitig Verschlußstück für die Abstichöffnung (11) ist.
5. Induktiv beheizter Schmelzofen nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Schmelztiegel (8) aus Quarzglas besteht.
6. Induktiv beheizter Schmelzofen nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e 1 c h n e t , daß der elektrisch leitfahige Körper (5) aus Wolfram besteht.
7. Induktiv beheizter Schmelzofen nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der elektrisch leitfähige Körper (5) aus itandiborit besteht.
8. Induktiv beheizter Schmelzofen nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Schmelztiegel (8) in einem evakuierten Raum angeordnet ist, daß die Abstichöffnung (ii) in Verbindung mit dem als Verschluß wirkenden Teil des elektrisch leitfähigen Körpers (5) eine Zerstäuberdüse bildet und daß in der Xahe der Abstichöffnung (11) eine gut gekühlte Fläche (13) aus wärmeleitendem Material vorgesehen ist.