DE2425468A1 - Vorrichtung zum durchfuehren des tiegellosen zonenschmelzens an kristallisierbaren staeben, insbesondere halbleiterstaeben - Google Patents
Vorrichtung zum durchfuehren des tiegellosen zonenschmelzens an kristallisierbaren staeben, insbesondere halbleiterstaebenInfo
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Description
Vorrichtung zum Durchführen des tiegellosen Zonenschmelzens
an kristallisierbaren Stäben, insbesondere Halbleiterstäben.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchführen des tiegellosen Zonenschmelzen an kristallisierbaren
Stäben, insbesondere Halbleiterstäben, bei der die geschmolzene Zone in dem zu behandelnden Stab durch das
elektromagnetische PeId einer den an seinen Enden gehalterten Stab ringförmig und mit Abstand umgebenden Induktionsheizspule
erzeugt wird, bei die Induktionsheizspule durch einen zu ihr parallel geschalteten Kondensator zu
einem elektrischen Heizschwingkreis ergänzt und dieser Heizschwingkreis über eine Hochfrequenzleitung und "mindestens
ein verstellbares Kopplungselement von einem eine Wechselspannung, mit verstellbarer Frequenz liefernden
Hochfrequenzgenerator beaufschlagt ist.
Eine solche Vorrichtung ist in der britischen Patentschrift 1.144.907 beschrieben. Der mit stetig veränderbarer
Ausgangsfrequenz ausgestattete Hochfrequenzgenerator der bekannten Anordnung weist einen elektrischen Schwingkreis
(Tankkreis) im Ausgang auf, dessen Induktivität mit einem verschiebbaren Abgriff versehen ist, der über eine
Kopplungsinduktivität oder einen Kopplungskondensator an den Heizschwingkreis gelegt ist. Die an den Heizschwingkreis
bzw. über diesen an den zonenzuschmelzenden Stab abgegebene elektrische Leistung wird bevorzugt über die
Frequenz der von dem Hochfrequenzgenerator abgegebenen Wechselspannung eingestellt; Diese wird so gewählt, daß
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im Normalbetrieb sie verhältnismäßig wenig von der Eigenfrequenz des Heizsehwingkreises verschieden ist. Man hat
nämlich festgestellt, daß angesichts der Eigenschaften der verwendeten Übertragungsglieder eine optimale Energieübertragung
an den zu behandelnden kristallinen Stab, insbesondere Siliciumstab, dann vorliegt,wenn die Amplitude der in
der Induktionsheizspule auftretenden Wechselspannung sich von der Amplitude im Resonanzfall um etwa 10$ unterscheidet.
Eine weitere Möglichkeit der Beeinflussung der an den Heizschwingkreis und an den zonenzuschmelzenden Stab
übertragenen elektrischen Wirkleistung ist durch Verstellung der veränderbar ausgestalteten'Ankopplung des Heizschwingkreises
an den.Ausgang des"Hochfrequenzgenerators gegeben.
Die Einstellung der Generatorfrequenz und der Ankopplung des Heizschwingkreises an den Ausgang des Hochfrequenzgenerators
ist eine Angelegenheit der Erfahrung, die für festgelegte Stabdurchmesser eines bestimmten kristallinen
Materials, z.B. von Silicium, gewonnen werden muß. Damit kommt man beim tiegellosen Zonenschmelzen homogener
Stäbe gut zum Ziel. Wird aber das tiegellose Zonenschmelzen zur Behandlung von Stäben inhomogenen Durchmessers und/oder
inhomogener Materialbeschaffenheit angewendet, so bleibt aufgrund des bisher Bekannten nichts anderes übrig, als die
Einstellung der Generatorausgangsfrequenz und/oder des Kopplungsgrades während der Durchführung des Znnenschmelzens
zu verändern. Dies ist aber mit Rücksicht auf den mechanisch labilen Zustand der Schmelzz^ne nicht günstig,
da es sehr leicht zu unerwünschten Änderungen der Schmelzzone oder gar zu einem Abtropfen derselben kommen kann.
Vor allem beim Zonenschmelzen von Siliciumstäben, deren
Durchmesser größer als 50 mm ist, ist der Lastbereich, der vom Anschmelzen des (für ein monokristallines Wachstum des
aus der geschmolzenen Zone auskristallisierenden Siliciums notwendigen) einkristallinen Impflings zu dem über einen
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Flaschenhals und anschließenden Konus mit dem'Impfling
zu verbindenden Stabbereieh mit normalem, d.h. wesentlich
größerem Stabdurchmesser. zu überstreichen ist, sehr groß,
Hier würde die Aufgabe resultieren, für eine Reihe von tJbergangsstadien der Schmelzzone "brauchbare Einstellungen
der Generatorfrequenz und/oder der Ankopplung zu finden und ohne Beschädigung der in diesem Zustand besonders empfindlichen
Schmelzzone zur Anwendung zu bringen. Es wäre daher
viel günstiger, wenn man ohne Nachstellung der Generatorfrequenz und/oder des Ankopplungsgrades zum Ziele käme. Die
Erfindung befaßt sich mit einer Vorrichtung, die dies ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Durchführen des tiegellosen Zonenschmelzen an kristallisierbaren Stäben,
insbesondere Halbleiterstäben, ist dadurch gekennzeichnet, daß von den zwischen dem Ausgang des Hochfrequenzgenerators
und dem die Induktionsheizspule enthaltenden elektrischen Heizöchwingkreis vorgesehenen Schaltungsteilen
mindestens die Hochfrequenzleitung mit 'einem ein strömendes Kühlmittel führenden Kanal ausgerüstet ist.
Infolge der intensiven Kühlung der der Energieübertragung
vom Hochfrequenzgenerator zu dem Heizschwingkreis dienenden Schaltungsteile braucht auf die infolge unterschiedlicher
Ankopplung (Gegeninduktivität) des zonenzuschraelzenden Stabs zu der Induktionsheizspule bedingten stark unterschiedlichen
Verluste in diesen "(empfindlichen) Schaltungsteilen keine Rücksicht mehr genommen zu werden, so daß man mit einer insbesondere
auf den normalen Stabdurchmesser- fest abgestimmten Einstellung von Generatorfrequenz und Ankopplung
des Heizschwingkreises auch bei erheblich abweichendem Durchmesser des Stabes die Schmelzzone fahren kann.
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Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 "bis 3 näher beschrieben.
Dabei stellt Pig. 1 ein Beispiel für eine der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugrundezulegende
elektrische Schaltung, Fig. 2 eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Hochfrequenzleitung und Fig. 3 eine besonders
vorteilhafte Ausgestaltung der Kühlung der zwischen dem Generatorausgang und dem Heizschwingkreis vorgesehenen
Koppelelemente dar. Zu bemerken ist, daß auch die Elemente des Heizschwingkreises und/od-er der Ausgangskreis
des Hochfrequenzgenerators gekühlt werden können.
Gemäß Fig. 1 ist der Ausgang 2 eines Hochfrequenzgenerators 1 bekannte Bauart als Schwingkreis mit variierbarer
Einstellung der Ausgangsfrequenz ausgestaltet. Im Beispielsfalle ist eine sogenannte Hartley-Schaltung verwendet,
bei der der Anodenstrom J mittels eines zwischen Anode und Kathode der Generator-Elektronenröhre
vorgesehenen Instruments ablesbar ist. Die Ausgangsfrequenz wird über den mit verstellbarer Kapazität ausgestatteten
Kondensator 2a des Ausgangsschwingkreises 2 eingestellt. Die Ankopplung des aus der Induktionsheizspule
7 und dem ihr parallelgeschalteten Kondensators 6 gebildeten Heizschwingkreises erfolgt über eine Hochfrequenzleitung
5, ein induktives oder kapazitives Kopplungsglied, welches ein breites Frequenzband durchläßt, sowie
über die Auskoppelspule 3, die ihrerseits mit der Induktionsspule 2b des Ausgangs schwingkreis es 2 des Hochfre-:;.
quenzgenerators 1 einen Übertrager oder Transformator mit veränderbarem Kopplungsgrad bildet. Der zonenzuschmelzende
Halbleiterstab 8, insbesondere Siliciumstab, wird von der Induktionsheizspule 7 ringförmig, insbesondere koaxial,
umgeben und ist in bekannter Weise im Inneren eines Zonenschmelzgefäßes an seinen Enden in vertikaler Stellung
frei gehaltert. Auf die Wiedergabe eines Zonenschmelzgefäßes sowie der Stabhalterungen ist verzichtet worden,
weil sich die Erfindung nicht mit der Ausbildung dieser - allgemein bekannten - Apparateteile befaßt.
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Bei der Einleitung des tiegellosen Zonenschmelzens zur Herstellung einkristalliner versetzungsfreier Siliciumstäbe
wird die erste Schmelzzone, wie bereits angedeutet, an der Grenze zwischen einem einkristallinen Keimling
und dem in einen Einkristall überzuführenden Siliciumstab erzeugt. Gewöhnlich ist der Durchmesser des Keimkristalls
um ein Vielfaches kleiner als der des umzuschmelzenden Stabes. Man sieht deshalb einen allmählichen
Übergang des Durchmessers der Schmelzzone von dem des Keimkristalls zu dem des aufzuschmelzenden Stabes vor,
dem man, um dies zu erleichtern, eine konische Verjüngung an dem zuerst aufzuschmelzenden Ende, insbesondere dem
unteren Ende, gibt. Da der Durchmesser der Induktionsheizspule 7 unverändert bleibt, tritt eine beträchtliche
Änderung der Gegeninduktivität zwischen der Heizspule und dem Siliciumstab während der Verschiebung der Schmelzzone
von der Grenze zum Keimkristall in den aufzuschmelzenden
Siliciumstab auf. (Wie man leicht einsieht nimmt die Gegeninduktivität und.die Ankopplung des Stabes 8 an
die Induktionsheizspule 7 mit wachsendem Durchmesser des Stabes 8 zu«) Dies hat erhebliche Änderungen des in der
Schmelzzone erzeugten Stromes I zufolge, wie man an der folgenden angenäherten Beziehung
I =
-Λ2 + (R1 + IuI1)(H2 + i6L2 -
abliest, die für den Fall zweier rein induktiv gekoppelter
wechselstromdurchflossener Stromkreise gilt, wobei die Kapazität des einen Stromkreises zu vernachlässigen ist.
( Es bedeutet in dieser Formel:M= Gegeninduktivität zwischen
dem Stab, also der Schmelzzone, und der Induktions- ' heizspule, R1 = Ohm·1 scher Widerstand der Schmelzzone,
L1 = Selbstinduktion der Sehmelzzone, R2= gesamter Ohm1scher
Widerstand der zwischen der erregenden EMK, also dem Hochfrequenzgenerator
1, und dem Stab 8 liegenden Übertragungselemente, L9 = gesamte Selbstinduktion und C0= gesamte Kapazität
dieser Elemente, U = Uoe die vom Generator 1
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gelieferte H-Tchfrequenzspanmmg sowie co die Kreisfrequenz,
i.die imaginäre Einheit und e die Eulersche Zahl.) Eine ähnliche aber komplizierter zusammengesetzte Beziehung
gilt auch für die in der Schmelzzone umgesetzte Wirkleistung.
Aber nicht nur der Strom in der Schmelzzone sondern auch der Strom in den Übertragungselementen sowie die dort
umgesetzte Leistung hängt von M", L., und R.. ab. Auch hier
ist die Darstellung etwas komplizierter als die oben angegebene Beziehung, so daß von einer Wiedergabe abgesehen
wird. Dabei ist aber festzustellen, daß die Verluste in den Übertragungsgliedern, also vor allem in der Hochfrequenzleitung
5 mit kleiner werdendem M ansteigen.
Um dem zu begegnen kann man durch laufende Nachstellung der Auskopplung des Heizschwingkreises dafür sorgen, daß
ein optimaler Arbeitspunkt, insbesondere auf der kapazitiven Flanke des Heizschwingkreises, in jedem Augenblick des
Verfahrens gewährleistet ist, derart, ' daß'die überschüssige Wärmeentwicklung in den Übertragungsgliedern, vor
allem in der Hochfrequenzleitung 5, gebremst wird. Es hat sich aber andererseits gezeigt, daß eine solche Nachstellung
der Kopplung umständlich und auch nicht ungefährlich für die mechanische Stabilität der geschmolzenen
Zone ist.
Deshalb schlägt die Erfindung vor, daß bei gegebenem Frequenzbereich
des Generators 1 die Einstellung der Koppelglieder 3 und 4 so bemessen wird, daß optimale Übertragung
bei minimaler Entwicklung von Wärme in den Übertragungsgliedern 3, 4 und 5 dann gegeben ist, wenn die Schmelzzone
an Stellen des Siliciumstabes wandert, an denen dieser seinen normalen Durchmesser hat. Diese Einstellung
soll aber auch dann beibehalten werden, wenn die Schmelzzone an Stellen mit abweichendem Durchmesser, insbesonde-
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re am Übergang zwischen dem Keimkristall und dem Normalstab, geführt wird.. Um die dann in besonderem Ausmaße
in den Schaltungsteilen 5 und ggf. auch 4 und 3 entwik-"
kelte Wärme unschädlich zu machen, werden beim Betrieb
der erfindungsgemäßen Anordnung diese Energieübertragung dienenden Schaltungsteile wirksam gekühlt.
Ein für die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Durchführen des tiegellosen Zonenschmelzen geeignetes Hochfrequenzkabel
wird anhand der Fig. 2 beschrieben. Seine Länge ist wesentlich kleiner als der vierte Teil der Wellenlängen,
die zu den vom Generator 1 erzeugten elektrischen Schwingungen gehören.
Der Kern des in koaxialer Bauart erstellten Kabels 5
wird von einem als Wellrohr ausgestalteten Kühlrohr 10 aus einem elastischen nichtferromagnetischem Metall,
z.B. einer Kupferlegierung wie Tombak, gebildet. Die Wellung des Rohres 10, sein Durchmesser und seine Wandstärke
sind so gewählt, daß eine ausreichende Biegbarkeit des Rohres gewährleistet ist. Beispielsweise beträgt die Wandstärke
0,1 - 0,2 mm, der Abstand benachbarter Wellenberge bzw. Wellentäler 0,5 cm und der Durchmesser 1,2 cm. Über
dieses Kühlrohr 10 ist ein strumpfartiges Geflecht aus
feinen Kupferdrähten ( die ggf. versilbert sind ) straff aufgezogen, so daß das den Innenleiter des Kabels 5 bildende
Geflecht 11 an den Wellenbergen des Wellrohres 10 in unmittelbarem Wärmeleitungskontakt mit dem von einem
Kühlmittel 15 durchströmten Wellrohr 10 gehalten ist. Die
zwischen dem Innenleiter 11 und dem konzentrisch zu diesem angeordneten und ebenfalls aus einem feinen Kupfergeflecht
bestehenden Außenleiter 12 sowie die den Außenleiter 12 abdeckende Isolierschichten 13 und 14 bestehen beispielsweise
aus Polytetrafluoräthylen oder Ployäthylen oder Polystyrol oder einem sonstigen verlustarmen Kunststoff.
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Sie kann in Form von dünnen aufgewickelten Bändern aufgebracht sein. Die Dimensionierung der leiter und Isolierschichten
des Ea"bels 5 soll ebenfalls die er±"orderliche Biegsamkeit gewährleisten. So werden die Isolierschichten
13 und 14 auf Wandstärken von etwa 0,3 - 0,6 cm bemessen. Das Kabel 5 ist schließlich an seiner Außenseite mit einem·
zu erdenden Schirm 9 in Gestalt einer Metallisierung oder eines li'etallgeflechtes versehen.
Im Betrieb wird das Wellrohr 10 von einem flüssigen oder einem gasförmigen Kühlmittel 15 durchströmt. Dies kann
z.B. Kühlwasser sein, das von einer Wasserleitung oder einer Pumpe geliefert wird. Gegebenenfalls kann die Anwendung
eines Kühlgases, das von einer Kältemaschine geliefert wird, zweckmäßig sein.
Wenn, auch der Hauptteil der entwickelten Verlustwärme
in dem Hochfrequenzkabel 5 entsteht, so ist -jedoch auch
in der Auskoppelspule und in dem Koppelglied 4 mit einer beträchtlichen Wärmeentwicklung bei Abweichung des Schmelzzonendurchmessers
von seinem normalen Wert zu rechnen. Eine Kühlung dieser Elemente ist , wenn auch nicht so kritisch
wie beim Kabel 5, ebenfalls angebracht. Hier wird die Anwendung eines allen Elementen gemeinsamen Kühlkanals
vorgeschlagen, etwa in der Art, wie' sie in Fig. 3 dargestellt ist.
Das Koppelglied 4 besteht aus einer Induktionsspule L, ,
falls der Betriebszustand der Anordnung einem Arbeitspunkt L) auf der induktiven Flanke der Resonanzkurve und
aus einer Kapazität, falls der Betriebszustand einem Arbeitspunkt CJ auf der kapazitiven Flanke der Resonanzkurve
entsprechen soll. Da der zweite Fall bevorzugt angewendet wird, ist in Fig. 3 das Kopplungsglied 4 durch einen Koppelkondensator
C, dargestellt. Dieser ist beispielsweise als spannungsfester keramischer Koaxialkondensator ausgebildet.
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Der Inneieiter 16 des Koppelkondensators C, bildet zugleich die Wandung eines von dem Kühlmedium 15
durchströmten Behälters und ist durch eine dünne Schicht 17 aus dielektrischem, irisbesondere keramischem
Material von'dem Außenleiter 18 des Kondensators getrennt. Auch hier ist ein verlustarmes Dielektrikum
zweckmäßig. Das Kühlmittel 15 wird dem Kühlbehälter des
Kondensators C, durch ein Rohr 20 zugeführ.t und ein Rohr
•19 abgeführt.
Die Auskoppelspule 3 ist hinsichtlich des Kühlmittelstroms 15 und in elektrischer Beziehung über das aus leitendem
Material bestehende Rohr 20 und den Innenleiter 16 von G, in Serie geschaltet. Die zweite Elektrode 18 von G,
geht an den einen Leiter, im Beispielsfalle den Außenleiter 12, des Hochfrequenzkabels 5. Die aus einem gewundenen
Kupferrohr bestehende Auskoppelspule 3 ist sowohl in elektrischer Beziehung als auch hinsichtlich
des Kühlstromes mit'dem aus dem Wellrohr 10 und dem Metallstrumpf 11 gebildeten Innenleiter des Kabels 5 in Serie
geschaltet. Deshalb bestehen die das Kühlmittel führenden Verbindungsrohre aus gutleitendem Metall, z.B. Cu.
Das Wellrohr 10 des Kabels 5 erhält an dem der Koppelspule
3 abgewandtem Ende die Zufuhr an frischem Kühlmittel. Dieser kann ggf. über den Kondensator 6 des Heizschwingkreises
kommen, der dann in ähnlicher Weise wie der Kondensator C, ausgestaltet und über ein aus leitendem Metall
bestehendes weiteres Rohr mit dem der Auskoppelspule 3 abgewandtem Ende des Wellrohrs 10 verbunden ist. Verwendet
man anstelle eines Kopplungskondensators für das Koppelelement 4 ein Kopplungsinduktivität L, , so kann diese
ähnlich wie die Auskoppelspule 3 als gewundenes und von dem Kühlmittel 15 durchströmtes Rohr ausgestaltet
sein. Sie ist aber im Gegensatz zu der Auakoppelspule
nicht mit der Schwingkreisspule 2b des Generators 1 gekoppelt.
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Die Auskoppelspule 3 ist beispielsweise koaxial zu der Schwingkreisspule 2b am Ausgang des Generators 1 angeordnet
und kann axial verschoben werden. Hierdurch wird die Kopplung zwischen der Auskoppelspule 3 und der
Schwingkreisspule 2b und damit die Ankopplung des die
Induktionsheizspule 7 enthaltenden Heizschwingkreises an den Hochfrequenzgenerator 1 in definierter Weise verstellt.
Der Bereich der Ausgangsfrequenz des Generators 1 und
die Stellung der Auskoppelspule 3 wird bevorzugt so eingestellt, daß der Anodengleichstrom J der Ausgangsröhre
im Generator 1 ca. 10 - 20$ weniger als den maximalen
Wert hat, falls die geschmolzene Zone im Siliciumstab 8 in einem den normalen Durchmesser aufweisenden
Stabteil voll ausgebildet ist. Diese Einstellung ist eine Angelegenheit der Erfahrung und läßt sich nach
einigen Versuchen leicht ermitteln und auf analoge Verhältnisse übertragen. Weicht nun der Schmelzzone
von den normalen Verhältnissen ab, so ist eine Veränderung der Auskopplung bei Verwendung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung nciht mehr erforderlich, weil die sich stark . im Betrieb erwärmenden Bestandteile gegen eine
Überhitzung wirksam geschützt sind.
3 Figuren
6 Patentansprüche
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Claims (1)
- PatentansprücheVorrichtung zum Durchführen des tiegellosen Zonenschmelze'ns an kristallisierbaren Stäben, insbesondere an Halbleiterstäben, bei der die geschmolzene Zone in dem zu behandelnden Stab durch das elektromagnetische Feld einer den an seinen Enden gehalterten Stab ringförmig und mit Abstand umgebenden Induktionsheizspule erzeugt wird, bei dem die Induktionsheizspule durch einen zu ihr parallel geschalteten Kondensator zu einem elektrischen Heizschwingkreis ergänzt und dieser Heizschwingkreis über eine Hochfrequenzleitung und mindestens ein verstellbares Kopplungselement von einem eine Wechselspannung mit verstellbarer Frequenz liefernden Hochfrequenzgenerator beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß von den zwischen dem Ausgang des Hochfrequenzgenerators und dem die Induktionsheizspule enthaltenden elektrischen Heizschwingkreis vorgesehenen Schaltungsteilen mindestens die Hochfrequenzleitung mit einem ein strömendes Kühlmittel führenden Kanal ausgerüstet ist..) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter der als Koaxialkabel ausgebildeten Hochfrequenzleitung seiner Länge nach von dem das Kühlmittel führenden Kanal durchsetzt ist.3.) Vorrichtung nach Anspr\i.ch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter der Hochfrequenzleitung als strumpfartiges Metallgeflecht, insbesondere Kupfergeflecht, auf den als Wellrohr aus nicht ferromagnetischem Metall, z.B. Tombak, ausgebildeten Kühlkanal aufgezogen ist.VPA 9/110/4018 Stg - 12 -509850/0A494.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 "bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein der Ankopplung der Hochfrequenzleitung und/oder des die Induktionsheizspule enthaltenden Heizschwingkreises dienendes Kopplungelement mit einem Kühlkanal versehen "bzw. in einem Kühlkanal angeo'rdnet ist.5.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 .bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle des Hochfrequenzkabels und mindestens eines Kopplungselements bezüglich des Kühlstromes hintereinandergeschaltet sind.6.) »Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,..dadurch gekennzeichnet, daß die Ankopplung des die Induktionsheizspule enthaltenden Heizschwingkreises an den Hochfrequenzgenerator bei gegebener Ausgangsfrequenz dieses Generators auf ausreichende Leistungsübertragung auf die Schmelzzpne bei Maximaldurchmesser des umzuschmelzenden kristallisierbaren Stabes eingestellt und diese Einstellung auch bei abweichenden kleineren Stabdurchmessern beibehalten v/ird.509850/0449
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