DK169803B1 - Induktionsvarmespole til digelfri zonesmeltning af krystalstave - Google Patents

Description

i DK 169803 B1

Opfindelsen angår en induktionsvarmespole til digelfri zonesmeltning af krystalstave, hvilken induktionsvarme-spole som en ring omgiver stavmaterialet i smeltezonen, idet induktionsvarmespolen er udformet med af en spolespalte ind-5 byrdes adskilte spoleender.

Ved digelfri zonespaltning af krystalstave, især af halvledermaterialer, som silicium eller germanium, iagttages erfaringsmæsssigt forstyrrelser af smelteprocessen hovedsagelig af to årsager: For det første tilvejebringes der ved de 10 store effekttætheder, som udkræves til smeltning af krystalstave med en diameter på f.eks. mere end 7 cm, let overslag i spolespalteområdet, hvilket påvirker krystalkvaliteten yderst ugunstigt, og herudover udsætter varmespole og tilledninger for en risiko for ødelæggelse. Ifølge DE offentlig-15 gørelsesskrift 2.319.700 henholdsvis DE offentliggørelsesskrift 2.422.077 lukkes spolespalten under vacuum med på-sprøjtet aluminiumoxid eller polybismaleinimid eller med et temperaturfast isolationsmateriale, f.eks. kvartsglas. På girund af isolationsmaterialets faste binding til spoleenderne 20 er begge former for induktionsvarmespoler dog vanskeligt fremstillelige og følsomme for brud, især ved isættelse og udtagning. Herudover er der risiko for forurening med det nødvendige klæbemiddel, f.eks. ved fordampning.

Endvidere kan den ved den store energitæthed tilveje-25 bragte kraftige feltkoncentration i spolespalten ved stave med større diametre forårsage tilbagesmeltninger ved yderkanten nær ved størkningsområdet, som er forbundet med udvikling af forskydninger. Dog kan denne forstyrrelsesårsag imødegås ifølge DE offentliggørelsesskrift 2.538.831 derved, 30 at varmespolen udformes med overlappende spoleender. Herved bliver dog som følge af spolespaltens geometri risikoen for overslag særlig stor, således at der kun kan arbejdes med en forholdsvis ringe energitæthed. Forøger man på den anden side afstanden mellem de med forskellig potentiale tilveje-35 bragte flader i spolespalten, for at kunne forøge energitæt- 0 2 DK 169803 B1 heden, skal også spoletykkelsen forøges på dette sted. Herved øges igen risikoen for berøring mellem lager- henholdsvis krystalstav og varmespolen, hvorved opsmeltnings- og trækkeprocessen påvirkes føleligt.

5 Formålet med den foreliggende opfindelse er således at tilvejebringe en ukompliceret og let håndterlig induktions-varmespole, hvormed der kan opnås store energitætheder ved digelfri zonesmeltning, og som samtidigt sikrer et forstyrrelsesfrit forløb af trækningsprocessen.

10 Det angivne formål opnås med en induktionsvarmespole af den indledningsvis omhandlede art, som ifølge opfindelsen er ejendommelig ved den i krav l's kendetegnende del angivne udformning.

Den ved opfindelsen tilvejebragte induktionsvarmespole 15 er karakteristisk ved, at overslagsstrækningen mellem de på forskellige potentialer tilvejebragte flader dækkes med en . eller flere bevægelige i spolespalten indførte fladeorganer af temperaturfast, isolerende materiale.

Til fremstilling af sådanne fladeorganer kan der an-20 vendes materialer, som ved zonesmeltningsbetingelser, dvs. ved temperaturer i smeltepunktområdet for de i den enkelte krystalstav* indgående stoffer og de i recipienten indstillede trykbetingelser, er formstabile og gastætte og er tilvejebragt med isolerende egenskaber. I første række er hertil 25 egnede stoffer højtemperaturfaste oxidmaterialer, som f.eks. korund, magnesiumoxid eller berylliumoxid, silikatmaterialer, som mullit eller det som "Pythagoras-masse" benævnte alumo-silikat, samt især kvarts. Dette sidste foretrækkes anvendt fortrinsvis som kvartsglas, trods dettes skørhed over for 30 brud, på grund af kvartsglassets renhed, tæthed, temperatur- fasthed og de mangesidige bearbejdnings- og udformningsmuligheder .

Ved udformningen af fladeorganerne skal der tages hensyn til de ved spolespalteområdets geometris fastlagte 35 mulige overslagsstrækninger. Overslag kan således i princippet forekomme mellem flader, hvis indbyrdes afstand er mindre DK 169803 B1 3 end den under de givne omstændigheder mulige maksimale gnistlængde. Denne maksimale gnistlængde afhænger i det væsentlige af potentialforskelle og atmosfæren på arbejdsstedet. Herudover er der som regel ikke alene fare for overslag i selve 5 spolespalten, men også i området ved de dertil grænsende flader på spoleover- og undersiden og på spolens indvendige og udvendige kant. I overensstemmelse hermed er det vigtigt ved udformningen af fladeorganerne at sikre, at ikke alene selve spolespalten, men også de udsatte tilgrænsende plane 10 områder afdækkes på en overslagsforhindrende måde. Det er i reglen tilstrækkeligt kun at afdække overslagsstrækningens mulige udgangs- eller endepunkt, selv om udformninger med tosiddet afdækning også principielt kan være tilvejebragt.

Det er også hensigtsmæssigt, især med henblik på en 15 let isættelse og udtagning af fladeorganerne, at udpege disses tykkelse således, at de er placeret i spolespalten, ikke ved tæt pasning, men at de selv ved isat spole er tilvejebragt med et spillerum til sikring af den lette bevægelighed på fortrinsvis ca. 0,1 til 2 mm. Sædvanligvis anven-20 des i tilknytning til det foretrukne isatte kvartsglas et materiale med en tykkelse på fra 1 til 6 mm til fremstilling af fladeorganerne. Det er dog ikke udelukket at tilvejebringe indretninger, hvori fladeorganerne ved udtaget spole sidder bevægeligt i spolespalten, men ved isat spole er place-25 ret ubevægelig henholdsvis fastklemt i spolespalten.

Overslag over spolens udvendige kant forhindres på simpel vis f.eks. ved, at de isolerende fladeorganer rager så langt ud over spolens udvendige kant, at afstanden mellem de på forskelligt potential tilvejebragte kantflader er 30 større end den til de øjeblikkelige trækbetingelser svarende gnistlængde. Dette fremspring fastlægges mest hensigtsmæssigt empirisk og ligger i reglen ved 5 til 15 mm. I givet fald kan det være nødvendigt også at afdække strømtilledninger, i det mindste i nærheden af spolen.

35 DK 169803 B1 4

Naturligvis kan det i spolespalten indførte isolerende fladeorgan på grund af den nær ved beliggende smeltezone indvendigt i spolen kun rage tilstrækkelig langt ud over den indvendige kant ved store indvendige diametre på 5 typisk ca. 30 til 35 mm. Det vil således være fordelagtigt for at undgå overslag over spolens indvendige side at udvide spolespalten tragtformet mod den indvendige kant. Herved tilvejebringes tillige i dette område en afstand mellem de med forskellige potentialer tilvejebragte flader, som i forbin-10 delse med det isolerende fladeorgan umuliggør frembringelse af overslagsstrækninger. I givet fald kan der også være tilvejebragt en lignende udvidelse ud mod spolens udvendige kant.

Det er hensigtsmæssigt, om åbningsvinklen, dvs. vink-15 len mellem det toppunkt, hvor udvidelsen af spolespalten begynder og de punkter, hvor spolespalten går over i den runde flade på spolens indvendige side, er tilvejebragt med en størrelse beliggende mellem 20 til 120°. Den mellem disse to punkter målte lysning i spolespalten modsvarer i bedste 20 fald 0,3 til 1,8 . gange den indvendige radius.

Det er især fordelagtigt at udforme den ved opfindelsen tilvejebragte induktionsvarmespole med en spolespalte med overlappende spoleender som eksempelvis beskrevet i DE offentliggørelsesskrift 2.538.831. Ved denne udførelses-25 form af opfindelsen nedsættes risikoen for tilbagesmeltning i krystalstaven i nærheden af spolespalten, uden at der ved store feltstyrker kan befrygtes frembringelse af overslag.

Opfindelsen forklares i det følgende nærmere under henvisning til tegningen, hvor indbyrdes modsvarende dele 30 er i alle figurerne anført med det samme henvisningsnummer, fig. 1 er en skematisk plan afbildning af en induktionsvarmespole ifølge opfindelsen, fig. la er en afbildning af et snit langs linien A-B i fig. 1, 35 fig. 2 er en skematisk plan afbildning af en anden udførelsesform af en induktionsvarmespole ifølge opfindelsen, DK 169803 B1 5 fig. 2a er en afbildning af et snit langs linien A-B i fig. 2, fig. 3a-d er afbildninger af delsnit af flere forskellige udførelsesformer af spolespalten og af dé isolerende 5 fladeorganer.

Fig. 1 viser en induktionsvarmespole 1 med flere vindinger. Denne er udformet med to rørformede strømtilledninger 2, hvormed spolévindingerne 4 i området ved spoleenderne 3 strømforsynes. Den ved de overlappende spoleender 3 10 udformede spolespalte åbner sig tragtformet mod den indvendige kant 5 på spolen. I spolespalten er isat et bevægeligt fladeorgan 6 udformet som et i Z-form foldet bånd af eksempelvis kvartsglas, hvilket bånd rager ud over den udvendige kant 7 på spolen til afdækning af mulige overslagsstrækninger 15 i det tragtformet udvidede område af spolespalten og over yderkanten 7.

Fig. la er et tværsnit gennem induktionsvarmespolen 1 langs linien A-B i fig. 1. Det er her vist, at fladeorganet 6 ved sin udformning ikke alene afdækker de mulige overslags-20 strækninger i spolespalten 8, men også de på over- henholdsvis undersiden af vindingerne 4 afsluttende, skråt afskårne spoleender 3.

I fig. 2 er vist en ligeledes til isættelse tilvejebragt fladspole 9 med én vinding, hvis to rørformede strøm-25 tilledninger 2 ender i den flade vinding 4, som går over i de hinanden indbyrdes overlappende spoleender 3. Den herved tilvejebragte spolespalte udvider sig tragtformet mod den indvendige kant 5 på spolen. I spolespalten er placeret et bevægeligt fladeorgan 6, hvis ud over spolens udvendige kant, 30 henholdsvis i dennes indre åbning udragende dele forhindrer overslag i dette område. ,

Fig. 2a viser i tværsnit langs linien A-B i fig. 2 den ved de skråt afskårne spoleender 3 udformede spolespalte, samt det i Z-form foldede isolerende fladeorgan 6.

35 I fig. 3a-3d er som eksempler vist et antal mulige udformninger af spolespaltens tværsnit samt de dertil hørende isolerende fladeorganer.

DK 169803 B1 6 o

Ifølge fig. 3a kan der ved ikke overlappende spoleender 3 eksempelvis isættes et isolerende fladeorgan 6 med et H-formet tværsnit.

Som vist i fig. 3b kan de overlappende spoleender 3 5 eksempelvis være skråt afskårne, således at der tilvejebringes en skråt forløbende spolespalte 8. Det isolerende fladeorgan kan da eksempelvis være tilvejebragt med et Z-formet tværsnit, hvorved de for tilvejebringelse af overslagsstrækninger særligt udsatte spidser omsluttes. Principielt er dog 10 også andre udformninger mulige, som eksempelvis kun omfatter en spoleende på over- og undersiden, henholdsvis afdækker det stumpvinklede overgangsområde på spoleover- henholdsvis undersiden i den skrå afskæring i spolespalten.

Ifølge fig. 3c kan de overlappende spoleender 3 også 15 være udformet med ind over hinanden gribende aftrapninger, som på den i figuren anskueliggjorte vis er omgivet med det isolerende fladeorgan 6.

Ifølge fig. 3d kan spolespalten 8 også være udformet med i hinanden indgribende spoleender 3, som er afdækket med 20 et dertil modsvarende udformet fladeorgan 6.

De ved opfindelsen tilvejebragte induktionsvarmespoler kan principielt indsættes i de almindeligt forekommende zonesmeltningsanlæg, idet de kan virke i tilknytning til de almindeligt forekommende zonesmeltningsfremgangsmåder og de dertil 25 svarende betingelser, eksempelvis under hensyntagen til arbejdsatmosfæren eller stavdrejningen. Det er især en fordel, at der kan gives afkald på en tilsætning til arbejdsatmosfæren, som skulle nedsætte overslagstendensen, hvilken tilsætning efter omstændighederne kunne ødelægge krystalvasksten. 30

Ofte kan almindeligt forekommende spoler endog ændres, hvis deres geometri muliggør dette, således at et overslagsstræk-.

ningerne afdækkende fladeorgan· kan indføres i spolespalten.

For øvrigt kan også ved nyfremstillede spoler de almindelige mål, f.eks. indvendig og udvendig diameter på fra 20 til 35 40 mm henholdsvis fra 110 til 180 mm, hulrumstværsnit og DK 169803 B1 7 materialer, f.eks. sølv, bibeholdes. Herudover kan spolerne udformes med en eller flere vindinger og eksempelvis også som fladspoler eller spoler som kan adskilles.

Med den ved opfindelsen tilvejebragte induktionsvarme-5 spole er det lykkedes, ved digelfri zonesmeltning selv i tilknytning til smeltning af krystalstave med et gennemsnit på fra 10 til 12 cm og mere, at tilvejebringe den egnede effekt-tæthed uden risiko for overslag eller tilbagesmeltning, og at undgå de deraf resulterende ødelæggelser af smelteprocessen. X0 Dette forklares nærmere i tilknytning til den nedenfor anførte eksempelvise udførelsesform:

Eksempel 1

Med en almindelig kendt induktionsvarmespole af 15 sølv med tre vindinger (indvendig diameter ca. 30 mm, udvendig diameter ca. 150 mm), som er udformet som den i fig. 1 viste spole, idet den dog ikke er tilvejebragt med en tragtformet udvidelse af spolespalten, og idet et isolerende fladeorgan ikke kunne indsættes, skulle der i et almindeligt 20 forekommende zonesmelteapparat under almindelige trækbetin- 5 gelser (argonatmosfære ved 2,5 x 10 Pa) ud fra en poly-krystallinsk siliciumlagerstav (diameter ca. 100 mm) trækkes en monokrystallinsk stav på 100 mm i diameter.

Ved trækprocessens begyndelse øgedes induktionsvarme-25 spolens effekt langsomt. Straks ved lagerstavens opsmeltning kunne overslag i spolespalteområdet ikke forhindres, således at trækprocessen måtte afbrydes.

Herefter indsattes i stedet for denne almindeligt kendte spole en ved opfindelsen ifølge fig. 1 udformet 30 induktionsvarmespole af sølv med tre vindinger i smelteappa-ratet. Den indvendige diameter androg ca. 30 mm, den udvendige diameter ca. 150 mm. Spolespalten var udvidet med en åbningsvinkel på ca. 60° og gik med en lysning på ca. 15 mm over i den runde flade i spolens indvendige hulrum. Efter 35 at indsætningen var foretaget indførtes en Z-formet plade i den skråt forløbende spolespalte. Denne plade var fremstillet DK 169803 B1 8 udfra en strimmel kvartsglas med en tykkelse på ca. 1,2 mm.

Pladen var udformet i overensstemmelse med spoleenderne, som overlappede hinanden med et stykke på ca. 10 mm og med en indbyrdes afstand på ca. 2 mm. Herved dckkedes over-5 og undersiden af spolen på ca. 10 mm, og fladeorganets udragning ud over den udvendige kant androg ca. 10 mm. Indvendigt ragede fladeorganet ind mod spolemidtpunktet indtil en den indvendige radium modsvarede afstand. Trækprocessen kunne herefter gennemføres uden problemer under almindelige betin-10 gelser. Der blev tilvejebragt en forskydningsfri, enkrystal-linsk siliciumstav med en diameter på 10 cm og med en længde på 50 cm.

15 20 25 30 35

Claims (6)

1. Induktionsvarmespole (1) til digelfri zonesmeltning af krystalstave, hvilken spole omgiver stavmaterialet i smeltezonen og er tilvejebragt med spoleender (3), som er 5 indbyrdes adskilte ved en spolespalte (8), kendetegnet ved, at overslagsstrækningen mellem spoleendeflader med forskellige potentialer afdækkes ved et bevægeligt i spolespalten (8) indsat fladeorgan (6), som er tilvejebragt i et varmefast, isolerende materiale.

2. Induktionsvarmespole ifølge krav 1, k ende- tegnet ved, at kvartsglas anvendes som varmefast, isolerende materiale.

3. Induktionsvarmespole ifølge krav 1 og 2, kendetegnet ved, at spolespalten (8) udvides tragtformet 15 mod spolens indvendige kant (5).

4. Induktionsvarmespole ifølge krav 1-3, kendetegnet ved, at spolespaltens (8) åbningsvinkel er 20 til 120°.

5. Induktionsvarmespole ifølge krav 1-4, kende- 20 tegnet ved, at lysningen i spolespaltens (8) åbning, målt ved overgangen til spolens indvendige ringformede hulrum, modsvarer 0,3 til 1,8 gange den indvendige radius.

6. Induktionsvarmespole ifølge krav 1-5, kendetegnet ved, at spoleenderne (3) i spolespalteområdet 25 er udformet indbyrdes overlappende. 30 35