DE3143146C2 - - Google Patents
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- H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
- H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
- H05B6/02—Induction heating
- H05B6/22—Furnaces without an endless core
- H05B6/30—Arrangements for remelting or zone melting
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- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum tiegelfrei
en Zonenschmelzen von in Stabhalterungen angeordneten Halblei
terkristallstäben, insbesondere Siliziumstäben, mit einer den
Halbleiterstab ringförmig umgebenden Induktionsheizspule und
einen die Induktionsheizspule auf ihrer den umzuschmelzenden
Halbleiterstab zugewandten Innenseite angeordneten Energiekon
zentrator, der in mindestens zwei elektrisch voneinander iso
lierte Segmente unterteilt ist.
Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in der US-PS 33 42 970
beschrieben. Dort ist unterhalb der Induktionsheizspule ein
koaxial den Halbleiterstab umgebender Energiekonzentrator ange
ordnet, dessen innere Öffnung im Durchmesser variiert werden
kann. Durch induktive Kopplung mit der Induktionsheizspule ist
es dadurch möglich unterschiedlich dicke Halbleiterstäbe zonen
zuziehen ohne die Induktionsheizspule austauschen zu müssen.
Es ist bekannt, daß beim tiegelfreien Zonenschmelzen elektrische
Überschläge zwischen Halbleiterstab und Induktionsheizspule auf
treten können und dies die Kristallqualität des zonengezogenen
Halbleiterstabes beträchtlich beeinflussen kann. Eine Vorrich
tung, mit der diese Überschläge vermindert werden können, ist
z. B.
Gegenstand des
Deutschen Patentes DE-PS 19 13 881. Hierbei ist vorge
sehen, daß der mittlere Windungsteil der Induktionsheiz
spule und der kristalline Stab während des Schmelzzonen
durchgangs auf gleichem elektrischen Potential geschaltet
sind.
Es ist in dieser Druckschrift weiter vorgesehen, daß
der mittlere Windungsteil bzw. die mittlere Windung der
Induktionsheizspule und mindestens eine der Stabhalterungen
elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Auch kann
parallel zur Induktionsheizspule ein elektrisches Syme
trierglied geschaltet sein, dessen Mittelpunktsanzapfung
mit mindestens einer Stabhalterung elektrisch leitend
verbunden ist.
In Fig. 1 ist diese bekannte Vorrichtung mit einer
metallischen Wandung 1 der Schmelz
kammer zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen
Stabes dargestellt. In dieser Wandung 1 befinden sich Durchführungen
2, in denen metallene Wellen 3 mit metallenen Stab
halterungen 4 angeordnet sind. Die Durchführungen 2 sind
mit einer Simmeringdichtung 5 gasdicht abgedichtet. Die
Wellen 3 und damit die Stabhalterungen 4 können um die
Wellenachse gedreht und ebenfalls auch in axialer
Richtung verschoben werden. In den Stabhalterungen 4 ist
jeweils ein Ende eines kristallinen Stabes 6, z. B. eines
Stabes aus Silicium, befestigt. Mit Hilfe einer Induktions
heizspule 7 wird im Stab 6 eine Schmelzzone 8 erzeugt
und durch eine Relativbewegung zwischen dem Stab 6 und
der Induktionsheizspule 7 längs des Stabes 6 bewegt.
Die nicht vollständig dargestellte Schmelzkammer kann
z. B. mit hochreinem Wasserstoff oder auch mit Argon
gefüllt sein.
Parallel zur Induktionsheizspule 7 sind Kondensatoren
15 geschaltet. Die Induktionsheizspule 7 und die Konden
satoren 15 bilden den Heizkreis,
welcher über eine Koaxialleitung 9 mit elek
trischer Energie aus dem Hochfrequenzgenerator 10 ge
speist wird. Die Koaxialleitung 9 und damit der aus der
Induktionsheizspule 7 und den Kondensatoren 15 bestehende
Heizkreis sind über eine Koppelspule 12 an die Schwing
spule 11 des Tankkreises im Hochfrequenzgenerators 10
gekoppelt.
Der mittlere Windungsteil 13 der einwindigen Induktions
spule 7 bzw. die mittlere Windung bei einer zylinder
förmigen Induktionsheizspule ist mit der Wand 1 der
Schmelzkammer über eine elektrische Leitung 14 verbunden.
Sowohl die Stabhalterungen 4 und damit der Stab 6 als
auch der mittlere Windungsteil 13 der Induktionsheiz
spule 7 haben dasselbe Potential, da die Wellen 3 und
die Wandung 1 der Schmelzkammer geerdet sind. Dadurch
ist die maximale Potentialdifferenz zwischen der In
duktionsheizspule 7 und dem kristallinen Stab 6 nur halb
so groß,
im Vergleich zu einer Induktionsheizspule 7, dessen mittlerer
Windungsteil 13 nicht mit der Schmelzkammerwand 13 elektrisch
leitend verbunden ist und daher auch nicht dasselbe Potential
wie der Halbleiterstab 6 hat.
Mit dieser bekannten Vorrichtung sind elektrische Überschläge bei Siliziumstäben mit
25,4 mm bis 50,8 mm Durchmesser seither nicht mehr beobachtet
worden.
Beim Anschmelzen des Keimkristalls und Ziehen der flaschenhals
förmigen Dünnstelle zu Beginn des Zonenschmelzprozesses sind
infolge der schlechten Kopplung zwischen Spule und Schmelzzone
relativ hohe Spannungen an der Schmelzspule erforderlich. Je
höher der Innendurchmesser der z. B. aus einer Flachspule be
stehenden Schmelzspule dabei ist, desto leichter kommt es da
bei - insbesondere bei Verwendung von Argon als Schutzgas -
zu Glimmentladungen oder Überschlägen im Spulenschlitz. Diese
Überschläge wirken sich schädlich auf die Kristallqualität des
durch das tiegelfreie Zonenziehen hergestellten Halbleitermate
rials aus und können außerdem die HF-Spule sowie deren Zuleitun
gen zerstören.
Mit der Entwicklung hin zu immer größeren Durchmessern bei Halb
leiterstäben, z. B. 100 mm und mehr, ist es nicht mehr möglich
die bekannten Vorrichtungen zum Zonenschmelzen einzusetzen. Die
Spannungsfestigkeit dieser bekannten Anordnungen reicht nicht
mehr aus.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde eine Anordnung
zum Zonenziehen von Halbleiterstäben großer Durchmesser anzuge
ben, die sich durch eine verbesserte Spannungsfestigkeit aus
zeichnet.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jedes Segment des
Energiekonzentrators in seinem Mittelbereich Potentialanschlüs
se aufweist und die Potentialanschlüsse entweder auf Erdpoten
tial gelegt sind oder sich auf gleichem Potential wie die Stab
halterungen findet.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 3
bis 18.
In Fig. 2 ist eine bekannte Flachspule, von der die Erfindung
ausgeht, dargestellt.
Die Spule besteht aus einem ringförmigen inneren Windungs
teil 17 mit ovalem Querschnitt und einem in Form eines
Kragens ausgebildeten äußeren Windungsteil 18. Die beiden
Windungsteile 17 und 18 sind durch eine Schweißnaht fest
miteinander verbunden. Das äußere Windungsteil 18 ent
hält ein Ansatzstück in Form einer Öse 16, an der die
Spule geerdet wird. Die beiden Stromzuführungen 19 und
20 für die Spulen sind mit dem Innenteil 17 verbunden
und dienen gleichzeitig als Kühlwasserzuführungen, wobei
der Wasserfluß durch die Pfeile 21 gekennzeichnet ist.
Im allgemeinen ist der äußere Windungsteil 18 der Spule
massiv ausgebildet und besteht aus versilbertem Kupfer,
während das innere Windungsteil 17 aus einem Kupferrohr
gefertigt ist.
Die als Flachspule ausgebildete
Induktionsheizspule mit einer den Halbleiterstab ring
förmig umgebenden Windung, die entweder als Hohlkörper
ausgebildet ist oder Bohrungen für die sie durchströmende
Kühlflüssigkeit aufweist,
hat auf ihrer dem umzuschmelzenden Halbleiterstab
zugewandten Innenseite einen Energiekonzentrator, der
in mehrere vorzugsweise gleich große elektrisch vonein
ander isolierte Segmente unterteilt ist, zugeordnet.
Dabei kann der Energiekonzentrator in 2, 3, 4 oder 6
Segmente unterteilt sein.
Zweckmäßigerweise ist der von der Heizspule elektrisch
isolierte, einen Abstand von vorzugsweise 1-2 mm be
sitzende Energiekonzentrator in der Spulenebene ange
ordnet.
Der Grundgedanke der diesen Maßnahmen zugrunde liegt,
besteht nun darin, die Spule in einen Primär- und einen
Sekundärkreis aufzuteilen, um dann das elektrische Feld
der Spule durch Aufteilung in Segmente so herabzuteilen,
daß das magnetische Wechselfeld voll erhalten bleibt.
Der Energiekonzentrator ist derart ausgebildet, daß die
Segmente nach dem Zentrum hin Aussparungen besitzen, die
zusammen eine kreisförmige Öffnung für den Halbleiter
stab ergeben, wobei die durch die Segmente gebildete
Öffnung einen Durchmesser von etwa 25-35 mm hat.
Die einzelnen Segmente des Energiekonzentrators sind
entweder als Hohlkörper ausgebildet oder haben Bohrungen
für die sie durchströmende Kühlflüssigkeit.
Für die Spannungsfestigkeit der Spule ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
daß jedes Segment des Energiekonzentrators in
seinem Mittelbereich einen Erdpotentialanschluß hat.
Die Segmente können auch auf das gleiche Potential wie
isolierte Stabhalterungen gelegt werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist die
konstruktive Verbindung von Spule und Energiekonzen
trator in der Form, daß die Segmente eine von innen
nach außen hin zunehmende, vorzugsweise konisch ver
laufende Dicke und auf ihren Außenseiten Einkerbungen
besitzen, in die die Heizspule eingepaßt ist. Der Raum
zwischen den Einkerbungen der Segmente und der einge
paßten Heizspule ist mit temperaturfestem Isolierstoff
ausgefüllt. Als Isolierstoff eignet sich besonders
Keramik, Silikonkautschuk, Silikonharz oder Polybis
maleinimid.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform gemäß der
Erfindung haben die sich nach dem Zentrum hin ver
jüngenden Segmente auf der Innenseite einen Krümmungs
radius von 0,5-2 mm und auf der Außenseite eine Dicke
von etwa 10-30 mm, wobei die in die Segmente einge
brachten Einkerbungen etwa 20 mm tief sind. Der Außen
durchmesser der Spule beträgt dabei etwa 100-200 mm.
Heizspule bzw. Segmente bestehen den jeweils gewünschten
Anforderungen entsprechend entweder aus Kupfer, aus
Kupfer mit Silberüberzug oder ganz aus Silber.
Um Halbleiterkristallstäbe mit großen Stabdurchmessern
zonenzuschmelzen, ist es gemäß einem Ausführungsbei
spiel nach der Lehre der Erfindung auch möglich, die
Induktionsheizspule zerlegbar aufzubauen, wobei die
Spule und die Segmente zwei getrennte Bauelemente dar
stellen, die durch Schraubverbindungen und für die
Kühlung vorgesehene Abdichtungen miteinander verbunden
sind.
Auch können die Strom- und Kühlmittelzuführungen in
ihrer Achse verschiebbar gestaltet sein, damit der
Innendurchmesser der Heizanordnung veränderbar ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der
Fig. 3 und 4 näher erläutert.
Die in der Fig. 3 abgebildete Induktionsheizspule be
steht aus einer einwindigen Flachspule 22 an deren Enden
23 und 24 eine hochfrequente Spannung von beispielsweise
1000 Volt angelegt wird. Die Flachspule 22 wird zwecks Kühlung
von Wasser, durch die Pfeile 25 angedeutet, durchströmt.
Auf der dem umzuschmelzenden Halbleiterstab zugewandten
Innenseite ist ein Energiekonzentrator mit einem Abstand
26 von beispielsweise 1 mm Entfernung angeordnet. Der
Energiekonzentrator besteht aus den 6 Segmenten 27 bis
32. Der Abstand dient zur elektrischen Isolation der
Spule 22 von den Segmenten 27 bis 32. Er ist mit
temperaturbeständigen Silikongummi ausgefüllt. Jedes
der beispielsweise mit Silikongummi voneinander iso
lierten Segmente 27 bis 32 besitzt einen
Mittelanschluß 33, der entweder auf Erdpotential gelegt ist oder
mit der isolierten Stabhalterung verbunden ist.
Im einfachsten Fall sind die
Segmente 27 bis 32 als Kupferhohlkörper ausgebildet, so daß sie
bequem an ein Kühlleitungssystem angeschlossen werden
können.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die einzelnen
Segmente 27 bis 32 miteinander durch die Rohrleitungen 34 ver
bunden und werden der Reihe nach - durch die Pfeile 35
angedeutet - vom Kühlwasser durchströmt.
Es versteht sich von selbst, daß die Kühlwasserführung
im Parallelbetrieb oder in Gruppen zusammengefaßt er
folgen kann.
In der Praxis bewährt sich eine Spule deren kreis
förmige, durch die Segmente gebildete Öffnung zur Durch
führung des umzuschmelzenden Halbleiterstabes einen
Durchmesser von 32 mm bei einem Heizspulenaußendurch
messer von 150 mm hat.
Eine technisch elegante Lösung besteht, wie in Fig. 4
dargestellt, darin, daß die Segmente 27 bis 32, die eine
von innen nach außen zunehmende, vorzugsweise konisch
verlaufende, Dicke aufweisen sollten, auf ihren Außen
seiten Einkerbungen besitzen, in die die Heizspule 25
eingepaßt ist. Der Zwischenraum 26 ist mit temperatur
beständigem Silikongummi ausgefüllt. Die Segmentkühlung
erfolgt durch die vom Wasser zu durchfließende Bohrung
36.
Besitzen die Segmente 27 bis 32 auf der Außenseite eine Dicke von
etwa 20 mm und haben sie auf der Innenseite einen
Krümmungsradius von 1 mm, so kann trotz Bohrung 36 zur
Aufnahme der Heizspule die Einkerbung in den Segmenten
20 mm tief ausgeführt sein.
Die Anzahl der voneinander isolierten Segmente wird
nur beschränkt durch den
mechanischen Aufwand der technisch noch vertretbar ist.
Bei 1000 Volt Spannung an der Heizspule sind 6 Segmente
für den Energiekonzentrator hinsichtlich der Spannungsfestigkeit
zwar optimal, aber wegen des immer größer
werdenden Aufwandes für die Praxis wohl auch maximal.
Bei 6 Segmenten entfällt auf jedes Segment ein sechstel
der vollen Spannung. Wird dann noch von der Mittelerdung
jedes Segments Gebrauch gemacht, so halbiert sich
(analog der Spannungsteilung nach DE-PS 19 13 881) die
Spannung jedes Segments gegenüber der geerdeten Schmelze
noch einmal. Die kritische Spannung zwischen Schmelze
und der Induktionsheizspule ist damit auf ein zwölftel der Spulen
spannung herabgesetzt. Bei 1000 Volt Spulen
spannung bedeutet dies, daß die Segmentenden z. B. 37
und 38 bei Segment 27 nur noch eine Spannung von weniger
als 85 Volt gegenüber der Stabschmelze haben.
Claims (18)
1. Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von in Stabhal
terungen angeordneten Halbleiterkristallstäben, insbesondere
Siliciumstäben, mit einer den Halbleiterstab ringförmig umge
benden Induktionsheizspule und einen die Induktionsheizspule
auf ihrer den umzuschmelzenden Halbleiterstab zugewandten Innen
seite angeordneten Energiekonzentrator, der in mindestens zwei
elektrisch voneinander isolierte Segmente unterteilt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß jedes Seg
ment des Energiekonzentrators in seinem Mittelbereich Potential
anschlüsse aufweist, die auf Erdpotential gelegt sind.
2. Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen von in Stabhal
terungen angeordneten Halbleiterkristallstäben, insbesondere
Siliciumstäben, mit einer den Halbleiterstab ringförmig umge
benden Induktionsheizspule und einen die Induktionsheizspule
auf ihrer den umzuschmelzenden Halbleiterstab zugewandten Innen
seite angeordneten Energiekonzentrator, der in mindestens zwei
elektrisch voneinander isolierte Segmente unterteilt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß jedes Seg
ment des Energiekonzentrators in seinem Mittelbereich Potential
anschlüsse aufweist, die auf das gleiche Potential wie die Stab
halterungen gelegt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Energiekonzentrator
in der Spulenebene angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Energiekonzentrator von der Induktionsheizspule elektrisch
isoliert angebracht ist.
5. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß als
isolierendes Mittel ein temperaturfester Isolierstoff
vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Abstand zwischen den Segmenten des Energiekonzentrators
und der Heizspule etwa 1-2 mm beträgt.
7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Segmente nach dem Zentrum hin Aussparungen besitzen,
die zusammen eine kreisförmige Öffnung für den Halb
leiterstab ergeben.
8. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die
durch die Segmente gebildete Öffnung einen Durchmesser
von etwa 25-35 mm besitzt.
9. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die
einzelnen Segmente des Energiekonzentrators als Hohl
körper ausgebildet sind oder Bohrungen für die sie
durchströmende Kühlflüssigkeit besitzen.
10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Segmente eine von innen nach außen zunehmende, vor
zugsweise konisch verlaufende, Dicke aufweisen.
11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Segmente auf ihren Außenseiten Einkerbungen besitzen,
in die die Heizspule eingepaßt ist.
12. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Raum zwischen den Einkerbungen der Segmente und der
eingepaßten Heizspule mit temperaturfestem Isolierstoff
ausgefüllt ist.
13. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die
sich nach dem Zentrum hin verjüngenden Segmente auf der
Innenseite einen Krümmungsradius von 0,5-2 mm besitzen.
14. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Segmente auf der Außenseite eine Dicke von etwa 10-30
mm haben.
15. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die in
die Segmente eingebrachten Einkerbungen etwa 20 mm
tief sind.
16. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Außendurchmesser der Spule etwa 100-200 mm beträgt.
17. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Heizspule aus Kupfer, Kupfer mit Silberüberzug oder
Silber besteht.
18. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Segmente aus Kupfer, Kupfer mit Silberüberzug oder
Silber bestehen.
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