DE3143146A1

DE3143146A1 - Als flachspule ausgebildete induktionsheizspule zum tiegelfreien zonenschmelzen

Info

Publication number: DE3143146A1
Application number: DE19813143146
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. 8000 München Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-10-30
Filing date: 1981-10-30
Publication date: 1983-05-11
Also published as: JPS6249710B2; US4506132A; DE3143146C2; JPS5882491A

Description

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SIEMENS IKTIEHGSSELLSCHiFT Unser Zeichen Berlin land München

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Als. ,Flachspul© ausgebildete Induktionsspule zum tiegelfreien Zonenschmelzen.

Yorrichtungen zum tiagelfreien Zonenschmelzen eines kristallinen Stabes weisen vielfach in der Schmelzkammer neben Halterungen für die Stabenden eine Induktionsheizspul© zum Beheizen der Schmelzzone auf _o Durch eine Relativbexfegung zwischen den Stabhalterungen einerseits und der Induktionsheizspule andererseits wird diese Schmelzzone durch den kristallinen Stab bewegt» Die Induktionsheizspule kann z„ B₀ eine mehrwindige Zylinderspule sein» Häufig ist die Induktionsspule auch eine einwindige Spule» Diese Induktionsheizspule wird mit hoch= frequentem Wechselstrom aus einem Hochfrequenzgenerator

Di© Schmelzkammer kann weitgehend evakuiert sein₉ sie kann aber auch mit einem Schutzgas gefüllt sein» Hs Schutzgasfüilungen wurden bereits hochreiner Wasserstoff ©der auch .argon vorgeschlagen, in dem stabförmige Einkristalle mit besonders guter Kristallqualität durch tiegelfreies Zonenschmelzen gewonnen werden können.

Insbesondere mehrwindige, jedoch auch einwindige Spulen neigen beim tiegelfreien Zonenschmelzen zu elektrischen Überschlägen. Diese Überschläge können sich schädlich auf die Kristallqualität des durch das tiegelfreie Zonenschmelzen gewonnenen kristallinen Stabes auswirken.

Bar 1 Gae / 28.10.1981

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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 Überschläge zu verhindern.

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.

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 Stabhalterung elektrisch leitend verbunden ist.

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

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mit einer Simmeringdichtung 5 gasdicht abgedichtet» Die Wellen 3 und damit die Stabhaltertangen 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 SiIiCiUm₉ befestigt» Mit Hilfe einer Induktionsheizspule 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» Die nicht vollständig dargestellte Schmelzkammer kann ζ» B. mit hochreinem Ifasserstoff oder auch mit Argon gefüllt sein.

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 xfirdo 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»

Der mittlere T'iindungsteil 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. 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

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der Induktionsheizspule 7 nicht mit der Schmelzkammerwand 13 elektrisch leitend verbunden wäre und daher nicht dasselbe Potential wie der Stab 6 hätte.

Elektrische Überschläge sind bei den üblichen Siliciumstäben mit ein bis zwei Zoll Durchmesser seither nicht mehr beobachtet worden.

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 Überschlägen im Spulenschlitz. Diese Überschläge wirken sich sehr schädlich auf die Kristallqualität des durch das tiegelfreie Zonenschmelzen hergestellten Halbleitermaterials aus und zerstören außerdem die HF-Spule sowie Zuleitungen.

Der Trend zu immer dickeren Stäben von drei, vier und mehr Zoll Durchmesser, zwingt allerdings zu einer neuen Lösung.

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.

Eine an sich bekannte Flachspule, von der die Erfindung ausgeht, ist in Fig. 2 in Draufsicht dargestellt. Die

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Spule besteht aus einem ringförmigen inneren Wandungsteil 17 mit ovalem Querschnitt und einem in Form eines Kragens ausgebildeten äußeren Windungsteil 18, Die beiden l'Jindungsteile 17 und 18 sind durch eine Schweißnaht fest miteinander verbunden. Das äußere Windungsteil 18 enthält ein Ansatzstück in Form einer Öse 16, 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 Kühlwasserzuführungen, wobei der Wasserfluß durch die Pfeile 21 gekennzeichnet ist. 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.

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 Kühlflüssigkeit aufweist, ist gemäß vorliegender Erfindung dadurch vorgenommen worden, daß die Heizspulenwindung auf ihrer dem umzuschmelzenden Halbleiterstab zugewandten Innenseite einen Energiekonzentrator, der in mehrere vorzugsweise gleich große elektrisch voneinander isolierte Segmente unterteilt ist, zugeordnet hat. Dabei kann der Energiekonzentrator in 2, 3> 4 oder 6 Segmente unterteilt sein.

Zweckmäßigerweise ist der von der Heizspule elektrisch isolierte, einen Abstand von vorzugsxireise 1 - 2 mm besitzende Energiekonzentrator in der Spulenebene angeordnet.

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Der Grundgedanke der diesen Maßnahmen zugrunde liegt, besteht nun darin, die Spule in einen Primär- und einen Sekundärkreis aufzuteilen, um dann das elektrische Feld der Spule durch Aufteilung in Segmente so herabzuteilen, daß das magnetische Wechselfeld voll erhalten bleibt.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Segmente nach dem Zentrum hin Aussparungen besitzen, die zusammen eine kreisförmige Öffnung für den Halbleiterstab ergeben, wobei die durch die Segmente gebildete Öffnung einen Durchmesser von etwa 25 - 35 mm hat.

Die einzelnen Segmente des Energiekonzentrators sind entweder als Hohlkörper ausgebildet oder haben Bohrungen für die sie durchströmende Kühlflüssigkeit.

Für die Spannungsfestigkeit der Spule ist es besonders wichtig, daß jedes Segment des Energiekonzentrators in seinem Mittelbereich einen Erdpotentialanschluß hat. Die Segmente können auch auf das gleiche Potential wie isolierte Stabhalterungen gelegt werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist die konstruktive Verbindung von Spule und Energiekonzentrator in der Form, daß die Segmente eine von innen nach außen hin zunehmende, vorzugsweise konisch verlaufende Dicke und auf ihren Außenseiten Einkerbungen besitzen, in die die Heizspule eingepaßt ist. Der Raum zwischen den Einkerbungen der Segmente und der eingepaßten Heizspule ist mit temperaturfestem Isolierstoff ausgefüllt. Als Isolierstoff eignet sich besonders Keramik, Silikonkautschuk, Silikonharz oder Polybismaleinimid.

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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform gemäß der Erfindung haben die sich nach dem· Zentrum hin verjüngenden Segmente auf der Innenseite einen Krümmungsradius von 0, 5 ^N~ 2 mm und auf der Außenseite eine Dicke von etwa 10 - 30 mm, wobei die in die Segmente eingebrachten Einkerbungen etwa 20 mm tief sind. Der Außendurchmesser der Spule beträgt dabei etwa 100 ■= 200 mm»

Heizspule bzw. Segmente bestehen den jeweils gewünschten Anforderungen entsprechend entweder aus Kupfer, aus Kupfer mit Silberüberzug oder ganz aus Silber»

Um Halbleiterkristailstälae mit großen Stabdurchmessern zonenzuschmelzen,ist es gemäß einem Ausführungsbei= spiels nach der Lehre der Erfindung auch möglich, die Induktionsheizspule zerlegbar aufzubauen, wobei die Spule und die Segmente zwei getrennte Bauelemente darstellen, die durch Schraubverbindungen und für die Kühlung vorgesehene Abdichtungen miteinander verbunden sind.

Auch können die Strom- und Kühlmittelzuführungen in ihrer Achse verschiebbar gestaltet sein, damit der Innendurchmesser der Heizanordnung veränderbar ist. 25

Weitere Einzelhiiten der Erfindung werden anhand der als Ausführungsbeispiel zu bewertenden Figuren 3 und 4 näher erläutert.

Die in der Figur 3 abgebildete Induktionsheizspule besteht aus einer einwindigen Flachspule 22 an deren Enden 23 und 24 die hochfrequente-.Spannung von beispielsweise 1000 Volt angelegt wird. Die Spule Wird zwecks Kühlung von Wasser, durch die Pfeile 25 angedeutet, durchströmt.

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Auf der dem umzuschmelzenden Halbleiterstab zugewandten Innenseite ist ein Energiekonzentrator mit einem Abstand 26 von beispielsweise 1 mm Entfernung angeordnet. Der Energiekonzentrator besteht aus den 6 Segmenten 27 bis 32. Der Abstand dient zur elektrischen Isolation der Spule 22 von den Segmenten 27 bis 32. Er ist mit temperaturbeständigen Silikongummi ausgefüllt. Jedes der beispielsweise mit Silikongummi voneinander isolierten Segmente besitzt einen auf Erdpotential zu legenden Mittelanschluß 33. Im einfachsten Fall sind die Segmente als Kupferhohlkörper ausgebildet, so daß sie bequem an ein Kühlleitungssystem angeschlossen werden können.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Segmente miteinander durch die Rohrleitungen 34 verbunden und werden der Reihe nach - durch die Pfeile angedeutet - vom Kühlwasser durchströmt.

Es versteht sich von selbst, daß die Kühlwasserführung im Parallelbetrieb oder in Gruppen zusammengefaßt erfolgen kann.

In der Praxis bewährt sich eine Spule deren kre.isförmige, durch die Segmente gebildete Öffnung zur Durchführung des umzuschmelzenden Halbleiterstabes einen Durchmesser von 32 mm bei einem Heizspulenaußendurchmesser von 150.mm hat.

Eine technisch elegante Lösung besteht, wie in Figur dargestellt, darin,-daß die Segmente 27 bis 32, die eine von innen nach außen zunehmende, vorzugsweise konisch verlaufende, Dicke aufweisen sollten, auf ihren Außenseiten Einkerbungen besitzen, in die die Heizspule 25

eingepaßt ist. Der Zwischenraum 26 ist mit temperatur beständigen Silikongummi ausgefüllt. Die Segmentkühlung erfolgt durch die vom Wasser, zu durchfließende Bohrung 36.
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Besitzen die Segmente auf der Außenseite eine Dicke von etwa 20 mm und haben sie auf der Innenseite einen Krümmungsradius von 1mm so kann trotz Bohrung 36 zur Aufnahme der Heizspule die Einkerbung in den Segmenten 20 mm tief gemacht werden.

Die Anzahl der voneinander isolierten Segmente ist im Prinzip unbegrenzt. Sie wird nur beschränkt durch den mechanischen Aufwand der technisch noch vertretbar ist.

Bei 1000 Volt Spannung an der Heizspule sind 6 Segmente für den Energiekonzentrator was die Spannungsfestigkeit betrifft zwar optimal aber wegen des immer größer werdenden Aufwandes für die Praxis wohl auch maximal. Bei 6 Segmenten entfällt auf jedes Segment ein sechstel der vollen Spannung«, Wird dann noch von der Mittelerdung jedes Segments Gebrauch gemacht, so halbiert sich (analog der Spannungsteilung nach DE=PS 1913881) die Spannung jedes Segments gegenüber der geerdeten Schmelze noch einmal. Die kritische Spannung zwischen Schmelze und der HF-Heizung ist damit auf ein zwölftel der Spulenspannung herabgedrückt worden. Bei 1000 Volt Spulenspannung bedeutet dies, daß die Segmentenden z. B. 37 und 38 bei Segment'27.nur noch eine Spannung von weniger als 85 Volt gegenüber der Stabschmelze haben.

Claims

3H3146

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Patentansprüche

Als Flachspule ausgebildete Induktionsheizspule zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleiterkristallstäben, insbesondere von Silieiumstäben, mit einer den Halbleiterstab ringförmig umgebenden Windung,die als
Hohlkörper ausgebildet ist oder Bohrungen für die sie durchströmende Kühlflüssigkeit besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizspulenwindung auf ihrer dem umzuschmelzenden Halbleiterstab zugewandten Innenseite einen Energiekonzentrator, der in
mehrere,vorzugsweise gleich große, elektrisch voneinander isolierte Segmente unterteilt ist, zugeordnet hat,

2 ο Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiekonzentrator in 2, 3 4 oder 6 Segmente unterteilt ist„

3„ Spule nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiekonzentrator in der Spulenebene angeordnet ist„

4ο Spule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3 s dadurch gekennzeichnet, daß der Energiekonzentrator von der Heizspule elektrisch
isoliert angebracht ist.

5« Spule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,· daß als isolierendes Mittel ein temperaturfester Isolierstoff vorgesehen

6. Spule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der

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Abstand zwischen den Segmenten des Energiekonzentrators und der Heizspule etwa 1 - 2 mm "beträgt.

7. Spule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente nach dem Zentrum hin Aussparungen besitzen, die zusammen eine kreisförmige Öffnung für den Halb- " leiterstab ergeben.

8. Spule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Segmente gebildete Öffnung einen Durchmesser von etwa 25 - 35 mm besitzt.

9. Spule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Segmente des Energiekonzentrators als Hohlkörper ausgebildet sind oder Bohrungen für die sie durchströmende Kühlflüssigkeit besitzen.

10. Spule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Segment in seinem Mittelbereich Potentialanschlüsse hat.

"11. Spule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die . Segmente eine von innen nach außen zunehmende, vorzugsweise konisch verlaufende, Dicke aufweisen.

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12. Spule nach wenigstes einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c,h gekennzeichnet, daß die Segmente auf ihren Außenseiten Einkerbungen besitzen, in die die Heizspule eingepaßt ist.

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13« Spule nach wenigstens einem der .Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen den Einkerbungen der Segmente und der eingepaßten Heizspule mit temperaturfestem Isolierstoff ausgefüllt ist.

14 ο Spule nach Anspruch 1> 5 und/oder 13? dadurch gekennze ichnet, daß als temperaturfester Isolierstoff Keramik., Silikonkautschuk, Silikonharz oder Polybismaleinimid zur Anwendung gelangt.

15 ο Spule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die sich nach dem Zentrum hin verjüngenden Segmente auf der . Innenseite einen Krümmungsradius von 0,5 - 2 mm besitzen.

1βο Spule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente auf der Außenseite eine Dicke von etwa 10 - 30 mm haben«

17» Spule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Segmente eingebrachten Einkerbungen etwa 20 mm tief sind.

18. Spule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der Spule etwa 100 - 200 mm beträgt.

19. Spule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizspule aus Kupfer, Kupfer mit Silberüberzug oder Silber besteht.

20. Spule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennze-ichnet, daß die Segmente aus Kupfer, Kupfer mit Silberiiberzug oder Silber bestehen.