DE2331004B2 - Induktionsheizspule zum tiegelfreien Zonenschmelzen - Google Patents
Induktionsheizspule zum tiegelfreien ZonenschmelzenInfo
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- C30—CRYSTAL GROWTH
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Description
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft eine mit Hochfrequenz betreibbare als Flachspule ausgebildete
Induktionsheizspule zum tiegelfreien Zonenschmelzen unter Luftausschluß, bestehend aus zwei aus metallenen
Hohlkörpern gebildeten, von einem Kühlmittel durchströmbaren elektrisch in Reihe geschalteten Windungen,
von denen die metallenen Oberflächen der inneren Windung wesentlich größere radiale als axiale Abmessungen
aufweisen und die äußere Windung aus einem Rohr kreisförmigen Querschnitts geformt ist.
Eine entsprechende Induktionsheizspule ist aus der DE-AS 12 05 167 bekannt.
Beim tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterial läßt man eine durch eine Induktionsheizspule aus
Kupfer oder Silber erzeugte Schmelzzone durch einen stabförmigen Körper des zu behandelnden Materials
wandern. Hierbei werden Verunreinigungen an das eine ι Ende des Stabes transportiert. Ott wird das Verfahren
auch zum Einkristallzüchten verwendet, indem an das eine Ende des Stabes ein Keimkristall angeschmolzen
und von diesem ausgehend eine Schmelzzone durch den Stab geführt wird. Der stabförmige Körper wird dabei
ίο meist senkrecht stehend mit seinen Enden in Halterungen
eingespannt
Der Zonenschmelzprozeß wird entweder im Vakuum oder in Schutzgasatmosphäre, bestehend aus Wasserstoff,
Argon oder einem anderen inerten Gas, durchgeführt
Die Schmelzspulen für das Zonenschmelzen mit Hochfrequenz bestehen meist aus Kupfer- oder
Silberrohr, durch das gleichzeitig Wasser zum Kühlen fließt Bei diesen Anordnungen sind die stromführenden
Teile nicht von der Atmosphäre der Schmelzkammer getrennt.
Aus der DE-OS 16 15 429 ist es zwar bekannt, in einer
Vakuum-Zonenziehanlage zur Verhinderung von Störungen durch aufgedampftes Halbleitermaterial und zur
Verbesserung der Reinigungsmöglichkeit der Heizspule die Spdlenoberfläche möglichst allseitig grobkörnig mit
Metall oder einem Metalloxid zu beschichten.
Um versetzungsfreies Kristallmaterial zu erhalten, wird aber in der Regel der Rezipient beim Zonenschmelzen
mit einer hochgereinigten Schutzgasatmosphäre versehen und im Rezipienten bzw. in der
Schmelzkammer ein Druck eingestellt der höher ist als der Atmosphärendruck. Bei Verwendung von Argon als
Schutzgas entstehen an den mit hochfrequentem Wechselstrom gespeisten, aus einer oder mehreren
Windungen aus einem elektrisch gut leitenden Material bestehenden Induktionsheizspulen, wie z. B. bei der
eingangs beschriebenen, aus der DE-AS 12 05167 bekannten Induktionsheizspule, bei hoher Arbeitsfrequenz
schon bei HF-Spannungen von ca. 500 V elektrische Überschläge, welche sich sehr schädlich auf
die Kristallqualität des durch das tiegelfreie Zonenschmelzen gewonnenen Halbleiterstabes auswirken und
außerdem die HF-Zuleitungen zerstören.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Induktionsheizspule der eingangs genannten Art so
auszubilden, daß bei ihrem Betrieb in einer Schutzgasatmosphäre mit höherem als dem Atmosphärendruck
Überschläge zwischen den Windungen weitgehend verhindert werden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß die äußere Oberfläche des Rohres mit
einer temperaturbeständigen Isolierung überzogen ist. Durch die Verwendung einer als Flachspule ausgebildeten
Induktionsheizspule (sogenannte Lochpfannkuchenspule) wird die Überschlagsneigung zum einen
erheblich gemindert. Diese Spule braucht nur wenig Spannung, dafür aber viel Strom. Aufgrund ihrer
niedrigen Induktivität braucht man noch bei 4 MHz sehr große Kapazitäten zur Resonanzabstimmung (ca.
24 000 pF). Niedrigere Frequenzen lassen sich nicht mehr abstimmen, weil die Kondensatorbatterien zu
groß werden.
Diese Mangel werden Eum anderen durch die
Induktionsheizspule gemäß der Lehre der Erfindung beseitigt, da die Oberfläche der äußersten Windung der
Spule mit einer temperaturbeständigen Isolierung überzogen ist. Dabei ist in einer Weiterbildung des
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Erfindungsgedankens vorgesehen, den Anfang der äußeren Windung als Teil einer HF-Durchführung
auszubilden. Dadurch wird erreicht, daß im Bereich der Durchführungen (höchste Spannung) keine spannungsführenden
Teile einander unisoliert gegenüberstehen. Dies ist besonders wichtig für die Herstellung von
Halbleiterstäben mit relativ großen Stabdurchmessern. Die erfindungsgemäße Spule hat gegenüber der
1-windigen Flachspule eine höhere Induktivität, braucht also mehr Spannung und weniger Strom. Dadurch
lassen sich folgende Vorteile erreichen:
1. Wesentlich kleinere Abstimmkapazität (bei 4 MHz ca. 600OpF);
2. lange HF-Durchführungen brauchen nicht mehr verschachtelt zu werden, weil der Strom niedrig ist;
3. auch bei niedrigerer Arbeitsfrequenz werden die Abstimmkondensatoren noch nicht unhandlich
groß.
Es Hegt im Rahmen der Erfindung, daß als Isolierung der äußeren Windung ein entsprechend gebogenes
Quarz- oder Glasrohr verwendet ist und daß das Metallrohr aus Silber besteht
Gemäß einem anderen besonders günstigen Ausführungsbeispiel besteht die Isolierung aus Keramikperlen,
welche über das als äußere Windung dienende Metallrohr geschoben sind, deren Hohl- oder Zwischenräume
mit im Vakuum aufgebrachtem temperaturbeständigem Isolierstoff ausgefüllt sind. Zu diesem Zweck
wird beispielsweise Silikonkautschuk, Silikonharz oder Polybismaleinimid verwendet
Eine weitere Möglichkeit der Isolierung besteht darin, daß ein mit einer Vergußmasse wie Silikonharz,
Silikonkautschuk oder Polybismaleinimid getränktes Quarzgewebe, beispielsweise ein Quarzstrumpf, verwendet
wird.
Um Halbleiterstäbe mit größeren Stabdurchmessern zonenzuschmelzen, ist gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel
nach der Lehre der Erfindung die Induktionsheizspule zerlegbar aufgebaut, wobei die
Spule mindestens zwei Bauteile aufweist, weiche durch Schraubverbindungen unter Verwendung von für die
Kühlung vorgesehene Abdichtungen miteinander verbunden sind.
Die Erfindung wird anhand von zwei Ausiührungsbeispielen
und der F i g. 1 und 2 noch näher erläutert Dabei zeigt
F i g. 1 in Draufsicht eine Induktionsheizspule, bei welcher die äußere Windung als Teil der HF-Durchführung
ausgebildet ist, während
Fig.2 eine Ausführungsform darstellt, bei welcher
die äußere Windung über ein Metallzwischenstück mit der HF-Zuführung verbunden ist
Die in F i g. 1 abgebildete mehrwindige Sicherheits-Induktionsheizspule
für das Zonenschmelzen in Schutzgasatmosphäre, insbesondere in Argonatmosphäre, besteht aus einer als Flachspule (Lochpfannkuchenspule)
ausgebildeten inneren Windung 1 und einer aus einem gebogenen Metallrohr aus Silber bestehenden
äußeren Windung 2, welche zugleich als Teil der H F-Durchführung 3 ausgebildet ist und auf ihrer
Oberfläche bis zur HF-Durchführung 3 eine Ummantelung mit einem temperaturbeständigen Isolierstoff 4
aufweist Dieser Isolierstoff 4 besteht beispielsweise aus einem mit Silikonharz getränkten Quarzgewebe oder
einem über das Silberrohr geschobenen Quarzrohr. Der Spulenteil 1 ist mit dem Spulenteil 2 über das
Metallzwischenstück 5 durch Verschraubung verbunden. Ein Metallzwischenstück 6 sorgt für die Verbindung
zwischen dem Spulenteil 1 und der HF-Durchführung 3. Die Abdichtung der Spulenanordnung erfolgt über die
mit dem Bezugszeichen 7 bezeichneten Silikongummidichtungen. Der innere Spulenteil 1 enthält ein
Ansatzstück in Form einer öse 8, an welcher die Spule geerdet werden kann.
In Fig.2 ist eine ähnliche Ausführungsform wie in
F i g. 1 dargestellt. Dabei wird die äußere Windung 2 nicht als Teil der HF-Durchführung verwendet, sondern
über das Metallzwischenstück 9 mit der HF-Durchführung 3 verbunden. Auch bei dieser Spulenanordnung ist
die äußere Windung 2 bis zum Metallzwischenstück 9 mit einer Ummantelung 4 aus einem temperaturfesten
Isolierstoff wie Silikonharz oder -kautschuk versehen. Ansonsten gelten die gleichen Bezugszeichen wie in
Fig. 1.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Mit Hochfrequenz betreibbare als Flachspule ausgebildete Induktionsheizspule zum tiegelfreien
Zonenschmelzen unter Luftausschluß, bestehend aus zwei aus metallenen Hohlkörpern gebildeten, von
einem Kühlmittel durchströmbaren elektrisch in Reihe geschalteten Windungen, von denen die
metallenen Oberflächen der inneren Windung wesentlich größere radiale als axiale Abmessungen
aufweisen und die äußere Windung aus einem Rohr kreisförmigen Querschnitts geformt ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche des Rohres (2) mit einer temperaturbeständigen
Isolierung überzogen ist
2. !nduktionsheizspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfang der äußeren
Windung als Teil einer HF-Du.-chführung ausgebildet ist
3. Induktionsheizspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Isolierung der
äußeren Windung ein entsprechend gebogenes Quarz- oder Glasrohr verwendet ist
4. Induktionsheizspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallrohr
aus Silber besteht.
5. Induktionsheizspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung aus
Keramikperlen besteht, weiche über das als äußere Windung dienende Metallrohr geschoben sind,
deren Hohlräume mit im Vakuum aufgebrachtem temperaturbeständigem Isolierstoff ausgefüllt sind.
6. Induktionsheizspule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als temperaturbeständiger
Isolierstoff Silikonharz, Silikonkautschuk oder PoIybismaleinimid verwendet ist.
7. Induktionsheizspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung aus
einem mit einer Vergußmasse wie Silikonharz, Silikonkautschuk oder Polybismaieinir.tid getränkten
Quarzgewebe besteht.
8. Induktionsheizspule nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule
zerlegbar aufgebaut ist.
9. Induktionsheizspule nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule mindestens zwei
Bauteile aufweist, welche durch Schraubverbindungen unter Verwendung von für die Kühlung
vorgesehenen Abdichtungen miteinander verbunden sind.
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