DE1802524B1

DE1802524B1 - Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes,insbesondere Halbleiterstabes

Info

Publication number: DE1802524B1
Application number: DE19681802524
Authority: DE
Inventors: Keller Dr Rer Nat Wolfgang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1968-10-11
Filing date: 1968-10-11
Publication date: 1970-06-04
Also published as: GB1240074A; FR2020390A1; NL6913795A; US3601569A; AT299129B; SE360277B; CH520524A; JPS4817561B1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum tiegel- besteht der als Fangschirm ausgebildete Hohlkörper freien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes, ins- eher aus wärmebeständigem als aus alektrisch gut besondere Halbleiterstabes, mit einer den Stab ring- leitendem Material.

förmig umgebenden, aus einer als Flachspule aus- Gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform

gebildeten Induktionsheizspule und einem parallel 5 nach der Lehre der Erfindung kann die Flachspule zur Spulenachse geschlitzten, sich in axialer Richtung etwa in mittlerer Höhe des Heizkörpers angeordnet erstreckenden Hohlkörper bestehenden Heizeinrich- sein. Dadurch erhält man einen etwa gleich großen tung. Vorheizungs- bzw. Nachheizungseffekt. Es ist aber

Beim tiegelfreien Zonenschmelzen mit Induktions- auch möglich, die Flachspule näher am oberen bzw. heizspulen werden als Energiequelle vielfach Flach- io am unteren Ende des Hohlzylinders anzuorden. Daspulen verwendet. Als Flachspule soll hier und im durch kann wahlweise entweder die Vorheizwirkung folgenden eine Spule mit einer Windung oder mit oder aber die Nachheizwirkung verstärkt werden, mehreren in einer Ebene liegenden Windungen ver- Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung

standen werden. Flachspulen haben gegenüber Zy- werden an Ausführungsbeispielen an Hand der linderspulen den Vorteil einer wesentlich geringeren 15 Zeichnung näher erläutert.

axialen Erstreckung der Schmelzzone. Dies bedingt F i g. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine

eine erhöhte Stabilität der Schmelzzone, was ins- Induktionsheizspule gemäß der Erfindung; besondere bei großen Stabquerschnitten wichtig ist. F i g. 2 zeigt die Induktionsheizspule nach F i g. 1

Nachteilig bei der Verwendung einer Flachspule zum in der Draufsicht; tiegelfreien Zonenschmelzen ist, daß durch die scharfe 20 F i g. 3 zeigt einen Schnitt durch die Induktions-Begrenzung der Schmelzzone der Temperaturgradient heizspule nach F i g. 1;

in den anschließenden festen Bereichen des Halbleiter- F i g. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform

Stabes hoch ist. Eine häufige Folge hiervon ist die der Induktionsheizvorrichtung gemäß der Erfindung Bildung von Versetzungen. mit einem Hohlkörper, der sich beiderseits der Flach-

Aus der deutschen Auslegeschrift 1152 269 ist eine 25 spule kegelstumpfartig erweitert.

ähnliche Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen In F i g. 1 ist eine Flachspule mit einer Windung

eines Halbleiterstabes bekannt, bei dem der Stab und mit 1 bezeichnet. Die Flachspule hat eine Öffnung 2 eine ihn ringförmig umgebende und in Richtung seiner für einen zeichnerisch nicht dargestellten Halbleiter-Längsachse bewegliche Induktionsheizspule in einer stab, beispielsweise aus Silicium. Die Flachspule 1 ist Vakuumkammer angeordnet sind. Um einen Nieder- 30 von einem geschlitzten Hohlkörper 3, der die Form schlag von abgedampftem Material auf dem Beobach- eines Zylinders haben kann, umgeben. Die Flachtungsfenster der Vakuumkammer zu verhindern, ist spule 1 und der Hohlkörper 3 sind fest miteinander die Heizspule bis auf einen zur Stabachse parallelen verbunden, beispielsweise durch Schweißen oder Sehschlitz mit etwa der Breite des Stabdurchmessers Löten. Anschlüsse für den elektrischen Strom und den von einem an der Heizvorrichtung befestigten Fang- 35 Kühlmittelkreislauf sind mit 4 bezeichnet. Der Hohlschirm umgeben. körper 3 ist beiderseits der Flachspule 1 mit einem Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist dagegen, Sehschlitz 5 bzw. 6 versehen. Um das Streufeld an eine Heizvorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen dieser Stelle gering zu halten, werden die Sehschlitze 5 eines kristallinen Stabes zu schaffen, die sich dadurch bzw. 6 so klein wie möglich gehalten. Die Länge der auszeichnet, daß einerseits die Länge der Schmelzzone 40 Sehschlitze 5 bzw. 6 entspricht etwa der Dicke des zu in Richtung der Stabachse begrenzt und daß anderer- behandelnden Halbleiterstabes. Dies ist zur Überseits der Temperaturgradient beiderseits der Schmelz- prüfung des Durchmessers des auskristallisierenden zone in den angrenzenden festen Stabteilen des Halb- Stabteils erforderlich. Der Hohlkörper 3 kann ebenso leiterstabes niedrig ist. wie die Flachspule 1 aus dünnen Kupferblechen her-Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der ein- 45 gestellt sein, deren Randteile verschweißt oder vergangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß der Hohl- lötet sind. Der Hohlquerschnitt der Flachspule 1 und körper mit dem Außenrand der Flachspule direkt ver- des Hohlkörpers 3 wird von einem Kühlmedium, beibunden ist und aus elektrisch gut leitendem Material spielsweise Wasser, durchflossen. Die Flachspule 1 besteht. Die durch die Öffnung der Flachspule tre- kann aus einer oder mehreren in einer Ebene liegenden tenden magnetischen Kraftlinien können sich nicht 50 Windungen bestehen. Im dargestellten Ausführungsgleich am Außenrand der Flachspule schließen. Sie beispiel hat die Flachspule nur eine einzige Windung, müssen vielmehr erst noch das ganze Innere des Hohl- wobei die in der Spulenebene gemessene Breite des körpers durchlaufen und können sich danach erst im Hohlleiters größer ist als seine Höhe. Um eine mög-Außenraum schließen. Somit wirkt der Hohlkörper liehst geringe Induktivität zu erhalten, ist ein Verwie eine Vorheiz- bzw. Nachheizeinrichtung, d. h., er 55 hältnis Außendurchmesser zu Innendurchmesser der verringert den Temperaturgradienten beiderseits der Flachspule von mindestens 1,5 günstig. Besonders Schmelzzone. Diese Wirkung der Vergleichmäßigung günstige Bedingungen erhält man, wenn das Verdes Temperaturgradienten ist noch besser als bei den hältnis Außendurchmesser zu Innendurchmesser der üblichen Vorheiz- bzw. Nachheizeinrichtungen, die Flachspule 1 etwa 2,0 bis 2,5 beträgt. Um eine schmale entweder als Strahlungsheizkörper oder als getrennt 60 Schmelzzone bei gleichzeitig intensiver Kühlung der erregte bzw. durch Induktion der Heizspule beein- Spule zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn die Höhe flußte Induktionsheizspulen ausgebildet sind. der Flachspule an ihrem äußeren Rand 7 größer ist

Bei der aus der deutschen Auslegeschrift 1152 269 als an ihrem inneren Rand 8 (vgl. F i g. 3). bekannten Vorrichtung wird keine so enge Kopplung Um einen allmählichen Wärmeübergang auch an

zwischen Hohlkörper und Flachspule erzielt wie beim 65 den in bezug auf die Schmelze entfernteren Stab-Erfindungsgegenstand. Es wird vielmehr, um Wirbel- teilen zu erreichen, kann es vorteilhaft sein, dem Hohlstromverluste klein zu halten, eher ein Abstand körper 3 die Form eines Kegelstumpfes mit sich von zwischen Hohlkörper und Spule angestrebt. Außerdem der Flachspule aus in axialer Richtung erweiternder

Grundfläche zu geben (F i g. 4). Es ist auch möglich, beispielsweise den unterhalb der Flachspule 1 liegenden Teil des Hohlkörpers 3 zylindrisch und den oberhalb der Flachspule 1 liegenden Teil kegelstumpfförmig auszubilden oder auch umgekehrt.

Neben dem Vorteil einer Verringerung des Wärmegradienten beiderseits der Schmelzzone bietet die vorliegende Erfindung den weiteren Vorteil einer hohen Reflexionswirkung des Hohlkörpers 3. Damit können Abstrahlungsverluste der Schmelzzone weitgehend vermieden werden. Die Flachspule 1 und der Hohlkörper 3 bestehen aus elektrisch gut leitenden Materialien wie Kupfer oder Silber.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beim tiegelfreien Zonenschmelzen im Vakuum, aber auch in einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise in Wasserstoff, verwendet werden. Infolge ihrer geringen Induktivität ist der Spannungsabfall an der Induktionsheizspule gering und damit auch die Gefahr eines elektrischen Überschlages zwischen der Induktionsheizspule und dem Halbleiterstab. Besonders vorteilhaft ist auch die erhöhte Stützwirkung der erfindungsgemäßen InduktionsheizsDule. Dies ist insbesondere beim sogenannten Aufstauchen, d. h. bei einem Zonenschmelzverfahren, bei dem der auskristallisierende Stabteil einen größeren Durchmesser als der der Schmelzzone zugeführte Stabteil aufweist, wichtig.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sei ein Ausführungsbeispiel angeführt:

30 Innendurchmesser der Flachspule ... ck = 29 mm Außendurchmesser der Flachspule... d_a = 70 mm Höhe der Flachspule an ihrem inneren
Rand 8 Zz₁ = 2 mm

Höhe der Flachspule an ihrem äußeren

Rand 7 A₂ = 6 mm

Höhe des Hohlkörpers 3 It₃ = 60 mm

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes, insbesondere Halbleiterstabes, mit einer den Stab ringförmig umgebenden, aus einer als Flachspule ausgebildeten Induktionsheizspule und einem parallel zur Spulenachse geschlitzten, sich in axialer Richtung erstreckenden Hohlkörper bestehenden Heizeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (3) mit dem Außenrand der Flachspule (1) direkt verbunden ist und aus elektrisch gut leitendem Material besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachspule (1) etwa in mittlerer Höhe des Hohlkörpers (3) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (3) die Form eines Zylinders hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenmantelfiäche des Hohlkörpers (3) einen Kegelstumpf mit sich von der Flachspule (1) aus in axialer Richtung erweiternder Fläche bildet.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung aus Kupfer oder Silber besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen