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Als FlachsPule ausgebildete Induktionsspule zum tiezel-
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freien Zonenschmelzen.
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Vorrichtungen zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes
weisen vielfach in der Schmelzkammer neben Halterungen für die Stabenden eine Induktionsheizspule
zum Beheizen der Schmelzzone auf. Durch eine Relativbewegung zwischen den Stabhalterungen
einerseits und der Induktionsheizspule andererseits wird diese Schmelzzone durch
den kristallinen Stab bewegt. Die Induktionsheizspule kann z. B. eine mehrwindige
Zylinderspule sein. Häufig ist die Induktionsspule auch eine einwindige Spule. Diese
Induktionsheizspule wird mit hochfrequentem Wechselstrom aus einem Hochfrequenzgenerator
gespeist.
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Die Schmelzkammer kann weitgehend evakuiert sein, sie kann aber auch
mit einem Schutzgas gefüllt sein. Als SchutzgasfUllungen wurden bereits hochreiner
Wasserstoff oder auch Argon vorgeschlagen, in dem stabförmige Sinkristalle mit besonders
guter Kristallqualität durch tiegelfreies Zonenschmelzen gewonnen werden können.
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Insbesondere mehrwindige, jedoch auch einwindigeeSpulen neigen beim
tiegelfreien Zonenschmelzen zu elektrischen Überschlägen. Diese Uberschläge können
sich schädlich auf die Kristallqualität des durch das tiegelfreie Zonenschmelzen
gewonnenen kristallinen Stabes auswirken.
Die Gefahr von Überschlägen
ist in einer mit Schutzgas gefüllten Schmelzkammer und/oder bei hoher Leistung betriebenen
Spulen besonders groß. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, derartige
Uberschläge zu verhindern.
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Die Erfindung.bezieht sich daher auf eine Vorrichtung zum tiegelfreien
Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes, mit einer
Schmelzkammer, in der Halterungen für die Stabenden angeordnet sind, und einer den
Stab umgebenden Induktionsheizspule zum Beheizen der Schmelzzone.
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Eine solche Vorrichtung ist bereits Gegenstand des Deutschen Patentes
DE-PS 1913 881. Hierbei ist vorgesehen, daß der mittlere Windungsteil der Induktionsheizspule
und der kristalline Stab während des Schmelzzonendurchgangs auf gleichem elektrischen
Potential geschaltet sind.
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In Weiterbildung dieses Gedankens ist 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 Symetrierglied geschaltet sein, dessen
Mittelpunktsanzapfung mit mindestens einer Stabhaleerung elektrisch leitend verbunden
ist.
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Die Fig. 1 zeigt bei dieser bekannten Vorrichtung Ausschnitte aus
der metallischen Wandung 1 der Schmelzkammer zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines
kristallinen Stabes. In dieser Wandung befinden sich Durchführungen 2, in denen
metallene Wellen 3 mit metallenen Stabhalterungen 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 Induktion 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.
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Die nicht vollständig dargestellte Schmelzkammer kann z. B. mit hochreinem
Wasserstoff oder auch mit Argon gefüllt sein.
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Parallel zur Induktionsheizspule 7 sind Kondensatoren 15 geschaltet.
Die Induktionsheizspule 7 und die Kondensatoren 15 bilden den Heizkreis, das ist
ein Schwingkreis, welcher über eine Koaxialleitung 9 mit elektrischer Energie aus
dem Hochfrequenzgenerator 10 gespeist wird. Die Koaxialleitung 9 und damit der aus
der Induktionsheizspule 7 und den Kondensatoren 15 bestehende Heizkreis sind über
eine Koppelspule 12 an die Schwingspule 11 des Tankkreises im Hochfrequenzgenerators
10 angekoppelt.
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Der mittlere Windungsteil 13 der einwindigen Induktionsspule 7 bzw.
die mittlere Windung bei einer zylinderförmigen Induktionsheizspule ist mit der
Wand 1 der Schmelzkammer über eine elektrische Leitung 14 verbunden.
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Sowohl die Stabhalterungen 4 und damit der Stab 6 als auch der mittlere
Windungsteil 13 der Induktionsheizspule 7 haben dasselbe Potential, da die Wellen
3 und die Wandung 1 der Schmelzkammer geerdet sind. Dadurch ist die maximale Potentialdifferenz
zwischen der Induktionsheizspule 7 und dem kristallinen Stab 6 nur halb so groß,
als sie wäre, wenn der mittlere Windungsteil 13
der Induktionsheizspule
7 nicht mit der Schmelzkammerwand 13 elektrisch leitend verbunden wäre und daher
nicht dasselbe Potential wie der Stab 6 hätte.
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Elektrische Uberschläge sind bei den üblichen Siliciumstäben mit ein
bis zwei Zoll Durchmesser seither nicht mehr beobachtet worden.
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Beim Anschmelzen des Keimkristalls und Ziehen der flaschenhalsförmigen
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 bestehenden Schmelzspule
dabei ist, desto leichter kommt es dabei - insbesondere bei Verwendung von Argon
als Schutzgas -zu Glimmentladungen oder Uberschlägen im Spulenschlitz.
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Diese Uberschläge wirken sich sehr schädlich auf die Kristallqualität
des durch das tiegelfreie Zonenschmelzen hergestellten Halbleitermaterials aus und
zerstören außerdem die HF-Spule sowie Zuleitungen.
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Der Trend zu immer dickeren Stäben von drei, vier und mehr Zoll Durchmesser,
zwingt allerdings zu einer neuen Lösung.
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Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß an sich bekannte
Flachspulen,so wie sie beispielsweise in der Deutschen Offenlegungsschrift DE-OS
2737342 beschrieben sind, in ihrer Grundkonzeption erhalten bleiben, im Hinblick
auf ihre Spannungsfestigkeit völlig neu gestaltet werden müssen.
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Eine an sich bekannte 'Flachspule, von der die Erfindung ausgeht,
ist in Fig. 2 in Draufsicht dargestellt. Die
Spule besteht aus einem
ringförmigen inneren Windungsteil 17 mit ovalem Querschnitt und ineminFörm£eines
Kragens ausgebildeten äußeren Windungsteil 18. Die beiden Windungsteile 17 und 18
sind durch eine Schweißnaht fest miteinander verbunden. Das äußere Windungsteil
18 enthält ein Ansatzstück in Form einer Cse i6, 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 Kuhlwasserzufühuungen, wobei der Wasserfluß durch die
Pfeile 21 gekennzeichnet ist.
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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.
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Die Neugestaltung der als Flachspule ausgebildeten Induktionsheizspule
mit einer den Halbleiterstab ringförmig umgebenden Windung die entweder als Hohlkörper
ausgebildet ist oder Bohrungen.für die sie durchströmende Kühlflüssigkeft aufweist,
ist gemäß vorliegender Erfindung dadurch vorgenommen worden, daß die Heizspule segmentartig
in mehrere Teilspulen aufgeteilt ist, wobei die voneinander elektrisch isolierten
Teilspulen eine konstruktive Einheit bilden und daß jede Teilspule ihren eigenen
Speisespannungs- und Kühlflüssigkeitsanschluß besitzt.
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Gemäß einer weiteren Entwicklung der Erfindung ist vorgesehen, daß
zwischen den Teilspulen Abstandshalter mit einer Stärke von etwa 1 - 3 mm angeordnet
sind. Sie können aus Keramik, Silikonkautschuk, Silikonharz oder Polybismaleinimid
bestehen.
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Zweckmäßigerweise haben die Teilspulen eine von innen nach außen zunehmende,
vorzugsweise konisch verlaufende
Dicke mit einem Krümmungsradius
von 0, 5 - 2 mm auf der Innenseite und eine Dicke von 10 - 20 mm auf der Außenseite,wobei
die Teilspulen nach dem Zentrum hin eine kreisförmige Öffnung mit einem Durchmesser
von etwa 25 - 35 mm bilden.
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Die Gesamtspule kann entweder zu einer mechanisch festen Anordnung
zusammengebaut sein oder bei großen Halbleiterstabdurchmessern ist es auch sinnvoll,
daß die Teilspulen an ihren Außenseiten Befestigungsmittel, z. B. Ohren, mit deren
Hilfe die Teilspulen mechanisch zusammengehalten werden, besitzen und daß Keramikklammern
oder andere hitzebeständigen Klammern in diese Befestigungsmittel eingreifen, um
die Teilspulen zusammenzuhalten.
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Auch können die Strom- und Kühimittelzuführungen in ihrer Achse verschiebbar
gestaltet sein, damit der Innendurchmesser der Heizanordnung veränderbar ist.
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Die Teilspulen und/oder die Befestigungsmittel bestehen vorzugsweise
aus Kupfer, versilbertem Kupfer oder Silbers Die Heizspule kann im Prinzip in beliebig
viele Teilspulen unterteilt werden, da die Teilspulen aber phasenrichtig zusammengeschaltet
werden mUssen, daß sie gegenüber dem umzuschmelzenden Halbleiterstab wie eine einzige
umgeteilte Spule wirken, wird die Unterteilung in zwei das Optimum und die Unterteilung
in vier Teilspulen das Maximum darstellen.
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Wenn jede Teilspule im Mittelbereich Anschlüsse hat, vermöge derer
sie auf Erdpotential gelegt werden kann, so wird bei zwei Teilspulen die maximale
Spannung gegenüber Masse bereits geviertelt.
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Die Potentialanschlüsse können auch auf das gleiche Potential wie
isolierte Stabhalterungen gelegt werden.
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Zur Stromversorgung der Teilspulen ist es zweckmäßig.
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den zugehörigen HF-Generator mit Mitteln zur Spannungsteilung, z.
B. passend ausgebildeten Sekundärwicklungen, auszustatten, die die Gesamtspeisespannung
entsprechend der Zahl der Teilspulen unterteilen.
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Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur
beim tiegellosen Zonenschmelzen anwendbar.
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Bei allen induktiven Heizprozessen mit der Gefahr elektrischer Uberschläge
zum Heizgut.ist die Anmeldung mit Vorteil einsetzbar.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der als Ausführungsbeispiel
zu wertenden Fig. 3 näher erläutert.
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Fig. 3 zeigt in Draufsicht eine Heizspule, die in zwei Teilspulen
unterteilt ist. Sie besteht aus den beiden halbringförmigen inneren Windungsteilen
22 und 23, an die sich die an sich bekannten, der besseren Ubersicht halber in der
Figur nicht dargestellten, die Fofin eines Kragens aufweisenden äußeren Windungsteile
an-.
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schließen können. Sie sind entsprechend dem in Fig. 2 dargestellten
Kragen 18 ausgebildet.
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Die beiden Windungsteile 22 und 23 enthalten Ansatzstücke 24 und 25
in Form von Ösen,an denen die Teilspulen geerdet werden. Die Stromzuführung 26 und
27 für die erste bzw. 28 und 29 für die zweite Teilspule dienen gleichzeitig als
Kühlwasserzuführung, wobei der Wasserfluß durch die Pfeile 30 bzw. 31 angedeutet
ist.
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Zwischen den Teilspulen befinden sich die Abstandshalter 32 und 33.
Sie haben eine Stärke von etwa 2 mm und bestehen aus Keramik.
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Die vorzugsweise aus Kupfer und/oder Silber bestehende Spule hat insbesondere
ovalen Querschnitt mit einem Krümmungsradius von 1 mm innen und einer Dicke von
10 mm an der Außenseite. Es versteht sich von selbst, die Formgebung der Teilspulen
den Erfordernissen des jeweiligen Prozesses anzupassen ohne aus dem Schutzumfang
der vorliegenden Erfindung zu gelangen.
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Es ist möglich, die Heizspule als geschlossene Einheit oder als teilbare
Spule auszugestalten. Im einfachsten Fall besitzen die beiden Teilspulen die 4 Ohren
34, 35, 36 und 37, in die die Keramikklammern 38 und 39 eingreifen können, um die
beiden Teilspulen zusammenzuhalten.
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Zur Speisung dient ein an sich bekannter, in der Figur nicht näher
dargestellter Hochfrequenzgenerator mit seinem Resonanzkreis 40. Seine Sekundärwicklung
ist so ausgelegt, daß die benötigte Speisespannung von beispielsweise 1000 Volt
in zwei gleich große Anteile von beispielsweise 500 Volt unterteilt wird. Die Klemmen
41 und 42 bzw.
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43 und 44 des Speisetransformators sind durch die Hochfrequenzkabel
45 bzw. 46 mit den Stromzuführungen 26, 27 bzw. 28, 29 verbunden.
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Der Anschluß hat phasenrichtig zu erfolgen, so daß wie durch die Pfeile
47 und 48 angedeutet ein ringförmiger HF-Strom fließt, der gegenüber dem Halbleiterstab
solch ein elektromagnetisches Feld erzeugt, als wenn nur eine ungeteilte, einwindige
Spule vorhanden wäre.
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Bei der Aufteilung der Heizspule in zwei Teilspulen erhält jede Teilspule
nur die Hälfte der vollen Spannung.
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Wird dann noch von der Mittelerdung jeder Spule Gebrauch gemacht,
so halbiert sich (analog der Spannungsteilung nach DE-PS 1913881) die Spannung jeder
Spule gegenüber der geerdeten Schmelze noch einmal. Die kritische Spannung zwischen
Schmelze und der HF-Heizung ist damit auf ein viertel herabgedrückt worden.
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Bei 1000 Volt Heizspannung bedeutet dies, daß die kritischen Spulenstellen
49, 50 bzw. 51, 52 nur noch eine Spannung von 250 Volt gegenüber der Stabschmelze
haben.
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