DE1212235B - Process for melting semiconducting material by high frequency - Google Patents
Process for melting semiconducting material by high frequencyInfo
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Description
Verfahren zum Schmelzen von halbleitendem Material durch Hochfrequenz Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzum halbleitenden Materials, wie Silizium oder Germanium, durch Hochfrequenz, wobei der das Aufschmelzen bewirkende Hochfrequenzstrom durch Induktion über eine Primärspule auf einen sekundären Leiterkreis, der mit einem das Schmelzgut umschließenden geschlitzten Teil versehen ist, übertragen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren dient vor allem der Aufgabe, Silizium- oder Germaniumkristalle mit hoher Reinheit aus einer entsprechend reinen Schmelze präparieren zu können und um für die Herstellung von Heißleitern, Transistoren, Fieldistoren, Richtleitern u. dgl. geeignetes Material zur Verfügung zu haben.Process for melting semiconducting material by high frequency The invention relates to a method for melting semiconducting material, such as Silicon or germanium, by high frequency, which causes the melting High-frequency current through induction via a primary coil on a secondary conductor circuit, which is provided with a slotted part enclosing the melted material will. The inventive method is mainly used to silicon or Prepare germanium crystals with high purity from an appropriately pure melt to be able to and for the production of thermistors, transistors, fieldistors, To have guide ladders and the like suitable material available.
Hochfrequenzgeheizte Schmelztiegel sind an sich bekannt. Die bisher bekannten Ausführungsformen haben aber im allgemeinen einen schlechten Wirhungsgrad, d. h., die von der Primärspule der Hochfrequenzanordnung abgegebene Energie wird nur teilweise für die Erhitzung der Schmelzsubstanz ausgenutzt. Die Tiegel müssen :außerdem aus einem Material gefertigt sein, das einen wesentlich höheren Schmelzpunkt besitzt als das Schmelzgut und nicht mit demSchmelzgut reagiert. Fernerwarein mitHochfrequenz beheizter Gießlöffel für metallurgische Zwecke bekannt, bei dem der Schmelztiegel als Induktivität eines mitHochfrequenzenergie beaufschlagtenelektrischen Schwingkreises dient. Der Schmelztiegel ist bei diesen Anordnungen daher ein geschlitztes Gebilde. Damit das metallische Schmelzgut den Schlitz nicht kurzschließen kann und auf diese Weise die Hochfrequenzenergie von dem Schmelzgut abschirmt, istbei den bekannten Anordnungen der Tiegel mit einer Isolierschicht ausgekleidet, welche die metallische Tiegelwand von dem metallischen Schmelzgut vollständig trennt. -Y Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schmelzen halbleitenden Materials, wie Silizium oder Germanium, durch Hochfrequenz, wobei der das Aufschmelzen bewirkende Hochfrequenzstrom durch Induktion über eine Primärspule auf einen sekundären Leiterkreis, der mit einem das Schmelzgut umschließenden, geschlitzten Teil versehen ist, übertragen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die während des Schmelzverfahrens in unmittelbarer Berührung mit dem zu schmelzenden Material stehende Innenwand des einen metallischen Schmelztiegel bildenden, mit einem die Seitenwandung auftrennenden Schlitz versehenen Teiles des sekundären Leiterkreises während des Schmelzverfahrens überall auf eine unterhalb des .Schmelzpunktes des Schmelzgutes liegende Temperatur gekühlt wird, während sein aus wärmebeständigem, isolierendem Material bestehender Boden außerhalb des Wirkungsbereiches -des Hochfrequenzfeldes gehalten wird. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet wegen der Kühlung der Tiegelwandung, das Schmelzgut weitgehend vor Verunreinigungen aus der Wandung des Tiegels zu schützen.High-frequency heated crucibles are known per se. The so far known embodiments but generally have a poor degree of efficiency, d. that is, the energy given off by the primary coil of the radio frequency arrangement only partially used for heating the enamel substance. The crucibles must : also be made of a material that has a much higher melting point possesses as the melt material and does not react with the melt material. There was also one with high frequency heated ladle known for metallurgical purposes, in which the crucible as the inductance of an electrical oscillating circuit to which high-frequency energy is applied serves. The crucible is therefore a slotted structure in these arrangements. So that the metallic melt material cannot short-circuit the slot and onto it Way of shielding the high-frequency energy from the melt is in the known Arrangements of the crucibles lined with an insulating layer, which the metallic Completely separates the crucible wall from the metallic melt. -Y The invention refers to a method of melting semiconducting material such as silicon or germanium, by high frequency, the high frequency current causing the melting by induction via a primary coil on a secondary conductor circuit, which is connected to a slotted part enclosing the melt material is transferred will. The inventive method is characterized in that the during of the melting process in direct contact with the material to be melted standing inner wall of a metallic crucible forming, with a die Side wall separating slot provided part of the secondary conductor circuit during the melting process to anywhere below the melting point of the Melting material lying temperature is cooled, while its made of heat-resistant, insulating material existing floor outside the effective area of the high-frequency field is held. The inventive method allows because of the cooling of the crucible wall, to protect the melting material largely from contamination from the wall of the crucible.
Weiter befaßt sich die Konstruktion von zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Schmelzvorrichtungen, bei denen die Hochfrequenzenergie mit besonders hohem Wirkungsgrad zum Schmelzen ausgenutzt wird. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zeichnen sich sämtlich durch eine günstige Kopplung zwischen der Primärspule und der Schmelzvorrichtung aus und lassen als Tiegelmaterial die Verwendung auch solcher metallischen Stoffe zu, die einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Schmelzgut besitzen und/oder mit dem Schmelzgut reagieren könnten, sobald dieses in den flüssigen Zustand gelangt.Next is concerned with the construction of to carry out the invention Process suitable melting devices in which the radio frequency energy with particularly high efficiency is used for melting. The invention Devices are all characterized by a favorable coupling between the primary coil and the melting device and also leave the use as the crucible material such metallic substances, which have a lower melting point than the melting point own and / or could react with the melt as soon as it is in the liquid State.
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der Beschreibung und bevorzugten Ausführungsbeispielen hervor.Further details of the invention can be found in the description and preferred embodiments.
Die gesamte Sekundärspule kann beispielsweise direkt als Seitenwandung eines Schmelztiegels ausgebildet sein. Dieses kann insbesondere dadurch erreicht werden, daß ein Rohr von 4kantigem Querschnitt zu einer zylindrischen Spule aufgewickelt ist. Die Abstände der Wicklungslagen sind dabei so eng bemessen, daß ein Austreten des Schmelzgutes durch den dazwischen befindlichen Schlitz sicher vermieden wird. Das Rohr wird zweckmäßig von -einem Kühlmittel, insbesondere Wasser, durchflossen. Es ist ferner zweckmäßig, die Sekundärspule mit einer wesentlich geringeren Zahl von Windungen als die Primärspule auszubilden, damit das Schmelzgut von einem möglichst hohen Strom durchflossen wird. Die Spule wird von einem isolierenden Boden aus hitzebeständigem Material, beispielsweise Quarzglas oder Keramik, nach unten abgeschlossen.The entire secondary coil can, for example, be used directly as a side wall be formed of a crucible. This can in particular be achieved in this way that a tube of square cross-section is wound into a cylindrical coil is. The distances between the winding layers are so tight that they can escape the melting material is safely avoided through the slot in between. The pipe is expediently traversed by a coolant, in particular water. It is also useful to have the secondary coil with a significantly lower number of turns than that Form primary coil so that the melting material as high a current as possible flows through it. The coil is covered by an insulating Bottom made of heat-resistant material, for example quartz glass or ceramic, according to completed below.
Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens besteht darin, daß der Schmelztiegel als Teil einer nur aus einer Windung bestehenden, gekühlten Sekundärspule ausgebildet ist, dergestalt, daß zwei längs einer Mantellinie aufgeschlitzte, insbesondere doppelwandige und beiderseitig offene Hohlkörper, insbesondere zylindrischer Form, längs des gemeinsamen Schlitzes in solcher Weise leitend verbunden sind, daß die der Primärspule anliegende Wandung des einen Hohlkörpers sich als Begrenzung des gemeinsamen Schlitzes fortsetzend in die Innenwandung des als Schmelztiegel ausgebildeten zweiten Hohlkörpers"der mit einem isolierenden hitzebeständigen Boden möglichst außerhalb des Feldes versehen ist, übergeht, so daß ein in sich geschlossener Stromweg besteht.There is a very advantageous further development of the concept of the invention in that the crucible is part of a one-turn, cooled Secondary coil is designed in such a way that two slit along a surface line, in particular double-walled hollow bodies open on both sides, in particular cylindrical ones Shape, are conductively connected along the common slot in such a way that the wall of the one hollow body lying against the primary coil acts as a delimitation of the common slot continuing into the inner wall of the crucible formed second hollow body "the one with an insulating heat-resistant bottom is provided outside the field as possible, passes over, so that a self-contained Current path exists.
Die Schmelzanordnung gemäß der Weiterbildung der Erfindung kann beispielsweise in der Weise aufgebaut werden, wie es die F i g. 1 im Querschnitt zeigt. Die Primärspule 3 der Hochfrequenzanordnung finit den beiden Anschlüssen 3' und 3" ist im Inneren' eines Hohlzylinders mit den Wandungen 1' und 1" im geringen Abstand von diesen, durch den Raum 7 getrennt, angeordnet. Der Schmelztiegel mit dem Schmelzraum 4 ist außerhalb dieses Zylinders vorgesehen. Er hat die beiden Wandungen 2' und 2" und steht über die Verbindungsstücke 6' und 6" mit dem anderen Hohlzylinder über die Schlitzwandungen 6 a und 6 b in leitender Verbindung. Der gemeinsame Hohlraum-1 und 2 innerhalb der Zylinderwandungen wird über den Hohlraum der Verbindungsstücke 6' und 6" von einem Kühlmittel, vorzugsweise Wasser, durchflossen. Die der Primärspule 1 durch die Anschlösse 3' und 3" zugeleitete Hochfrequenzenergie, welche eine hohe .Spannung und eine kleine Stromstärke aufweisen soll, wird- mit nur geringfügigen Energieverlusten auf die Innenwandung 1" mit niedriger Spannung und hoher Stromstärke übertragen und dort über die Schlitzwandungen 1 a und 1 b der Innenwandung des Schmelztiegels 2' als Verbraucher zugeleitet. Die Primärspule kann beispielsweise 30 Windungen aufweisen, so daß die Spannung in der Sekundärspule etwa auf den 30. Teil der Spannung in der Primärspule herabtransformiert wird, die Stromstärke aber etwa 30mal so hoch wird. Zur Erhöhung der Stromdichte innerhalb des Schmelztiegels ist es außerdem zweckmäßig, seinen Querschnitt dadurch klein zu halten, daß der Tiegel wesentlich kürzer ausgebildet ist als der an der Primärspule anliegende zweite Zylinder.The melting arrangement according to the further development of the invention can be constructed, for example, in the manner shown in FIGS. 1 shows in cross section. The primary coil 3 of the high-frequency arrangement, finite with the two connections 3 ′ and 3 ″, is arranged inside a hollow cylinder with the walls 1 ′ and 1 ″ at a small distance therefrom, separated by the space 7. The crucible with the melting space 4 is provided outside this cylinder. It has the two walls 2 'and 2 "and is in conductive connection via the connecting pieces 6' and 6" with the other hollow cylinder via the slot walls 6 a and 6 b. The common cavity 1 and 2 within the cylinder walls is traversed by a coolant, preferably water, via the cavity of the connecting pieces 6 'and 6 " and should have a low current intensity, is transmitted with only slight energy losses to the inner wall 1 ″ with low voltage and high current intensity and fed there via the slit walls 1 a and 1 b to the inner wall of the crucible 2 'as a consumer Have turns, so that the voltage in the secondary coil is transformed down to about the 30th part of the voltage in the primary coil, but the current is about 30 times as high keep that the crucible is much shorter than the one on the primary Sp ule adjacent second cylinder.
In der F i g. 2 und 3 ist im Längs- und im Querschnitt eine weitere vorteilhafte Ausbildungsform-der Schmelztiegelanordnung gemäß der Weiterbildung der Erfindung gezeigt. 8 (F i g. 2) stellt den Querschnitt der Primärspule einer Hochfrequenzheizungsanordnung mit den Anschlüssen 8' und 8" dar. 9' und 9" sind die Wandungen einer damit gekoppelten Sekundärspule in Form eines Hohlzylinders mit einem inneren Hohlraum 9, die über die Verbindungsstücke 9 a und 9 b mit einem darin bevorzugt koaxial angeordneten weiteren Metallzylinder mit den Wandungen 10' und 10" leitend verbunden ist. Der Hohlraum 9 und 10 wird gemeinsam von einem Kühlmittel über den Hohlraum der Verbindungsstücke 9 a und 9 b durchflossen. Zwischen den Verbindungsstücken 9 a und 9 b ist ein Schlitz 12 vorgesehen. Der Innenraum 11 des Innenzylinders mit den Wandungen 10' und 10" wird mit dem Schmelzgut, beispielsweise Halbleitermaterial, beschickt. Er ist unten mit einem isolierenden Boden 15 in Form einer Platte oder einer flachen Schale (F i g. 2) ausgestattet, die beispielsweise aus Quarz oder Keramik bestehen kann und möglichst außerhalb des Feldes liegen soll. Die Innenwandung des inneren Zylinders 10" gibt die Hochfrequenzenergie an das Schmelzgut ab. Der Stromweg der Hochfrequenz auf der Sekundärspule geht im wesentlichen von der Außenwandung 9' des äußeren Zylinders über die Schlitzbegrenzungen des Schlitzes 12 auf die Innenwandung des inneren Zylinders 10" über. 15' und 15" sind als Anschlußstutzen für den Kühlstrom vorgesehen.In FIG. 2 and 3 is another in longitudinal and cross-section advantageous embodiment - the crucible arrangement according to the development of the invention shown. 8 (F i g. 2) depicts the cross section of the primary coil of a High-frequency heating arrangement with the connections 8 'and 8 ". 9' and 9" are the walls of a secondary coil coupled therewith in the form of a hollow cylinder with an inner cavity 9, which via the connecting pieces 9 a and 9 b with a further metal cylinder preferably coaxially arranged therein with the walls 10 ' and 10 "is conductively connected. The cavity 9 and 10 is shared by a coolant flows through the cavity of the connecting pieces 9 a and 9 b. Between the connectors 9 a and 9 b, a slot 12 is provided. The interior 11 of the inner cylinder with the walls 10 'and 10 "is mixed with the melting material, for example semiconductor material, loaded. It is at the bottom with an insulating floor 15 in the form of a plate or a flat shell (F i g. 2) equipped, for example made of quartz or Ceramic can exist and should be outside the field if possible. The inner wall of the inner cylinder 10 ″ emits the high-frequency energy to the melting material The current path of the high frequency on the secondary coil essentially comes from the outer wall 9 'of the outer cylinder over the slot boundaries of the slot 12 on the inner wall of the inner cylinder 10 "over. 15 'and 15" are used as connecting pieces for the cooling flow intended.
Zur Erzielung einer hohen Stromdichte im Schmelztiegel ist es, wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel beschrieben, auch hier zweckmäßig, den Schmelztiegel 10, 10', 10" kürzer zu machen als den umgebenden Zylinder 9, 9', 9".To achieve a high current density in the crucible it is how described in the previous embodiment, also useful here, the crucible 10, 10 ', 10 "shorter than the surrounding cylinder 9, 9', 9".
Der Vorteil dieser Anordnung ist vor allem darin zu sehen, daß sie neben einer sehr engen Kopplung zwischen der Primär- und der Sekundärspule mit Wirkungsgraden nahe bei 1 auch äußerst raumsparend aufgebaut werden kann. Dies ist vor allem dann vorteilhaft, wenn die Schmelzanordnung in einer Schutzgasatmosphäre untergebracht werden soll.The main advantage of this arrangement is that it in addition to a very close coupling between the primary and secondary coil with degrees of efficiency close to 1 can also be set up in an extremely space-saving manner. This is especially then advantageous if the melting arrangement is housed in a protective gas atmosphere shall be.
Der in den Ausführungsbeispielen gemäß der F i g. 1, 2 und 3 vorgesehene Schlitz ist so eng bemessen, daß das Schmelzgut nicht aus dem Schmelztiegel herausfließen kann. Dies. wird vor allem durch die hohe Oberflächenspannung des geschmolzenen Stoffes verhindert. Die Kühlung kann auch so stark gemacht werden, daß sich das in der Nähe der Wandung 10" befindliche Schmelzgut nicht bis zum Schmelzpunkt erhitzt und dadurch zähflüssig oder fest bleibt. Außerdem erweist sich hier die Halbleitereigenschaft des Schmelzgutes, im kalten Zustand ein schlechter Leiter zu sein, als günstig. Der Strom wird bevorzugt den gutleitenden erwärmten Innenteil des Schmelzgutes durchfließen und erhitzen, während die schlechtleitenden gekühlten Randschichten nur wenig vom Strom durchflossen -werden. Die Breite des Schlitzes kann erfahrungsgemäß etwa 0,5 bis 2 mm betragen. _ -Ferner kann es in manchen Fällen vorteilhaft sein, den Schlitz in der Umgebung der Außenwandung beispielsweise .mif-Alz0s abzudichten oder mittels Strom und-IVIagnetfeld das Schmelzgut nach innen zu blasen und so am Austritt durch den Schlitz des Schmelztiegels zu hindern.In the exemplary embodiments according to FIG. 1, 2 and 3 provided The slot is so narrow that the melt does not flow out of the crucible can. This. is mainly due to the high surface tension of the melted Substance prevented. The cooling can also be made so strong that the In the vicinity of the wall 10 ″, the material to be melted is not heated to the melting point and thus remains viscous or solid. In addition, the semiconductor property proves itself here of the melt material, being a poor conductor when cold, than cheap. The current will preferably flow through the well-conducting, heated inner part of the material to be melted and heat, while the poorly conductive cooled outer layers only slightly from Current flowing through it. Experience has shown that the width of the slot can be approximately 0.5 up to 2 mm. _ -Furthermore, in some cases it can be advantageous to use the slot to seal in the vicinity of the outer wall, for example .mif-Alz0s or by means of Electricity and magnetic field to blow the melted material inwards and so through the exit to prevent the slit of the crucible.
" Für die gekühlten Tiegel können auch solche metallische Stoffe verwendet werden, die einen niedrigeren Schmelzpunkt als das zu schmelzende Gut haben. Beispielsweise eignen sich Kupfer oder Silber sehr gut dafür, aber auch andere gut leitende Metalle, wie z. B. Aluminium."Such metallic substances can also be used for the cooled crucibles which have a lower melting point than the material to be melted. For example copper or silver are very suitable for this, but also other highly conductive metals, such as B. aluminum.
Die Wandstärke des für die Zylinder verwendeten Bleches kann zweckmäßig etwa 0,5 bis 2 mm gewählt werden.The wall thickness of the sheet metal used for the cylinder can be appropriate about 0.5 to 2 mm can be selected.
Für das Schmelzen von halbleitenden Verbindungen in Schmelzanordnungen gemäß der Erfindung ist es nicht in allen Fällen vorteilhaft, die Hochfrequenzheizung gleich zu Beginn des Schmelzprozesses einzuschalten, weil das Schmelzgut im kalten Zustand einen erheblichen Widerstand aufweist und deshalb die Hochfrequenzenergie von diesem mit nur sehr geringem Wirkungsgrad aufgenommen wird. Aus diesem Grunde wird die Schmelzsubstanz zuerst mit Hilfe einer Gasentladung, beispielsweise mit hohem Kathodenfall oder einer Bogenentladung, angeheizt, bis die Leitfähigkeit entsprechend groß geworden ist, daß mit hohem Wirkungsgrad durch Hochfrequenzheizung bis zum Eintritt der Schmelze weiter erhitzt werden kann.For melting semiconducting compounds in melt assemblies according to the invention it is not advantageous in all cases to use the high-frequency heating to be switched on right at the beginning of the melting process because the melting material is cold State has significant resistance and therefore the high frequency energy is absorbed by this with only a very low degree of efficiency. For this reason is the enamel substance first with the help of a gas discharge, for example with high cathode drop or an arc discharge, heated until the conductivity accordingly has become large that with high efficiency by high frequency heating up to Entry of the melt can be further heated.
Die Ausübung des Verfahrens wird am besten in einer Schutzgasatmosphäre vorgenommen, beispielsweise in einer Wasserstoffatmosphäre.The procedure is best carried out in a protective gas atmosphere made, for example in a hydrogen atmosphere.
Es kann ferner zweckmäßig sein, die Gasentladung dadurch zu stabilisieren, daß ein oder mehrere Elektromagnete so angeordnet sind, daß ein Magnetfeld die Strombahn kreuzt. Insbesondere ist es günstig, wenn das Magnetfeld senkrecht zur Strombahn gerichtet ist. Durch diese Vorrichtung kann beispielsweise vermieden werden, daß die Gasentladung mit hohem Kathodenfall in eine Bogenentladung mit geringer Brennspannung übergeht, indem die Strombahn durch das Magnetfeld in gewünschter Weise abgelenkt wird. Das Magnetfeld kann aber auch dazu dienen, den Gasentladungsstrom in vorgesehener Weise auf die Oberfläche des Schmelzgutes zu konzentrieren oder dort zu verteilen.It can also be useful to stabilize the gas discharge by that one or more electromagnets are arranged so that a magnetic field the current path crosses. In particular, it is advantageous if the magnetic field is perpendicular to the current path is directed. This device can be avoided, for example, that the gas discharge with a high cathode drop into an arc discharge with a low burning voltage passes by the current path being deflected in the desired manner by the magnetic field will. However, the magnetic field can also be used to provide the gas discharge current Way to concentrate on the surface of the melting material or to distribute it there.
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ID=7487112
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DES49067A Pending DE1212235B (en) | 1956-06-14 | 1956-06-14 | Process for melting semiconducting material by high frequency |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CH (1) | CH365225A (en) |
| DE (1) | DE1212235B (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US1378188A (en) * | 1918-11-30 | 1921-05-17 | Ajax Electrothermic Corp | Ladle-heating by high-frequency currents |
| US1378187A (en) * | 1918-10-09 | 1921-05-17 | Ajax Electrothermic Corp | Focus inductor-furnace |
| DE536300C (en) * | 1929-09-04 | 1931-10-22 | Hirsch Kupfer Und Messingwerke | Method and device for operating electric induction ovens |
-
1956
- 1956-06-14 DE DES49067A patent/DE1212235B/en active Pending
-
1957
- 1957-06-11 CH CH4713457A patent/CH365225A/en unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US1378187A (en) * | 1918-10-09 | 1921-05-17 | Ajax Electrothermic Corp | Focus inductor-furnace |
| US1378188A (en) * | 1918-11-30 | 1921-05-17 | Ajax Electrothermic Corp | Ladle-heating by high-frequency currents |
| DE536300C (en) * | 1929-09-04 | 1931-10-22 | Hirsch Kupfer Und Messingwerke | Method and device for operating electric induction ovens |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CH365225A (en) | 1962-10-31 |
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