DE3143146C2 - - Google Patents

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.