DE2141188A1

DE2141188A1 - Vorrichtung fuer das tiegellose zonenschmelzen

Info

Publication number: DE2141188A1
Application number: DE2141188A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Keller; Hans Stut
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1971-08-17
Filing date: 1971-08-17
Publication date: 1973-02-22
Also published as: DE2141188C3; IT963844B; JPS5522439B2; FR2149483A1; JPS4829607A; FR2149483B1; NL7208496A; DE2141188B2; GB1349106A; BE787668A; US3769484A

Description

Vorrichtung für das tiegellose Zonenschmelzen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für das tiegellose Zonenschmelzen eines Stabes aus Halbleitermaterial, insbesondere aus Silicium, mittels einer koaxial zum Stab angeordneten, insbesondere einwindigen Induktionsheizspule, die im Innern eines den Halbleiterstab aufnehmenden Behandlungsgefäßes angeordnet und über eine - abgedichtet durch die Wand des Behandlungsgefäßes hindurchgeführte - elektrische leitung an einen Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist.

Solche Vorrichtungen sind beispielsweise aus der DAS 1 188 oder aus der DOS 1 444 530 bekannt. Sie weisen eine außerhalb des den durch das Zonenschmelzen zu behandelnden Halbleiterstab aufnehmenden Behändlungsgefäßes angeordnete Hochfrequenzquelle und eine im Innern des Behandlungsgefäßes angeordnete Induktionsheizspule auf, die entweder ortsfest oder - was günstiger ist - parallel zur Achse des (dann ruhenden) Halbleiterstabes verschiebbar ist. Für die elektrische Verbindung zwischen dem Hochfrequenzgenerator und der Induktionsheizspule ist dann nicht nur ein Verbindungskabel, sondern auch eine elektrische Durchführung durch die Wand des Behandlungsgefäßes notwendig, an die dann die beiden Enden der Induktionsheizspule angeschlossen sind.

Die zwischen dem Hochfrequenzgenerator und dem Halbleiterstab wirksamen Schaltanordnungen, nämlich das Verbindungskabel und die Durchführungen sowie die Induktionsheizspule, bedingen aufgrund ihres nicht ausschließlich reellen Wechselstromwider-

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Standes, daß der durch die Wirkung des !Feldes der Induktionsheizspule in dem Halbleiterstab induzierte elektrische Strom sowohl eine Wirkkomponente als auch eine Blindkomponente erhält. Durch das Vorhandensein der Blindkomponente wird aber der Wirkungsgrad der Heizung vermindert, so daß man bestrebt ist, diese möglichst klein zu machen. Zu diesem Zweck schaltet man der Heizspule einen Kondensator parallel, so daß ein elektrischer Schwingkreis entsteht. Da nämlich die Blindkomponenten des Stromes in erster Linie von dem Induktionsbelag der Zuleitungen zwischen Generator und Spule bedingt sind, wird durch eine solche Parallelkapazität eine Verminderung des Blindwiderstandes des Stromkreises und damit auch eine Verminderung des Blindanteils des in den behandelnden Stab induzierten Heizstromes erreicht. Der Parallelkondensator wird zweckmäßig in der Nähe der Induktionsheizspule angeordnet, wobei aber andererseits ein Schutz gegen die Abstrahlung der heißen Schmelzzonen notwendig werden kann. Andererseits muß die zur Erzielung einer ausreichenden Kompensation des Blindstromes erforderliche Kondensatorkapazität gewährleistet sein.

Es ist außerdem zu berücksichtigen, daß auch die Zuleitung zu diesem Kondensator sowie dieser selbst eine Selbstinduktion hat, die auf die Eigenschaften des Schwingkreises Einfluß nimmt und zu einer Erhöhung der Gesamtinduktivität der Anordnung beiträgt, ohne daß die Induktivität dieses Kondensators für die Energieübertragung zum Halbleiterstab ausnutzbar ist. Es ist deshalb zweckmäßig, den Schwingkreiskondensator als Koaxialkondensator auszugestalten, wie man aus dem gleichen Grund für die äußere Zuleitung der Anordnung ein Koaxialkabel verwendet.

Andererseits ist es günstig, wenn das Übertragungssystem vom Hochfrequenzgenerator zu dem zonenzuschmelzenden Halbleiterstab möglichst wenig; Stoßstellen aufweist.

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Aus diesen Gründen wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß bei einer Vorrichtung zum tiegellosen Zonenschmelzen entsprechend der eingangs zu dieser Beschreibung gegebenen Definition die eine der beiden elektrischen Anschlußstellen der in an sich bekannter Weise mittels eines parallelgeschalteten Kondensators zu einem elektrischen Schwingkreis ergänzten Induktionsheizspule mit dem Innenleiter, die andere Anschlußstelle mit dem Außenleiter des als starre koaxiale Leitung ausgebildeten und durch die Wand des Behandlungsgefäßes nach außen geführten Schwingkreiskondensators verbunden ist und daß die auf die Längeneinheit bezogene Kapazität dieses Kondensators mindestens 20mal so groß wie die auf dieselbe Längeneinheit bezogene Kapazität der die weitere Verbindung zum Hochfrequenzgenerator bildenden Hochfrequenzleitung ist.

Weiterhin ist es vorteilhaft, daß sowohl die Induktionsheizspule parallel zu der Achse des zu behandelnden Halbleiterstabes und der Achse des Schwingkreiskondensators als auch der Schwingkreiskondensator axial verschiebbar ausgebildet sind.

Eine der Erfindung entsprechende Apparatur ist mit den für die vorliegende Erfindung wichtigen Details in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellt.

In einem beispielsweise aus Quarz bestehenden zylindrischen Behandlungsgefäß 1 ist mittels Halterungen 2 und 3 der zonenzuschmelzende Halbleiterstab 4 vertikal angeordnet. Die Halterungen können in einer bekannten Weise ausgestaltet, insbesondere gegeneinander axial verschiebbar sein. Von der Beschreibung und Darstellung diesbezüglicher Einzelheiten wird jedoch hier Abstand genommen. Durch den Boden (oder den Deckel) des Behandlungsgefäßes ragt die zylindrische Halterung 5 für die Induktionsheizspule 6 in das Innere des Behandlungsgefäßes. Die Achse der zylindrischen Halterung 5 ist parallel zur Achse

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des Halbleiterstabes 4 orientiert. Gemäß der Erfindung ist nun diese Halterung 5 entweder selbst als starrer Koaxialkondensator ausgebildet oder dieser ist im Innern der Halterung 5, sich koaxial und parallel zu dieser erstreckend, angeordnet. Die Halterung 5 wird in beiden Fällen an der Durchführungsstelle 17 durch den Boden (oder den Deckel) des Behandlungsgefäßes 1 durch entsprechend abgedichtete Führungen derart gehalten, daß eine reproduzierbare axiale Verschiebung der Halterung 5 an der Durchführungsstelle 17 möglich ist, ohne daß Außenluft in das Behandlungsgefäß gelangt.

Im einfachsten Falle ist -also die Halterung 5 mit dem Schwing- W kreiskondensator identisch und besteht dann lediglich aus einem Innenleiter 7, einem rohrförmigen, massiven Kondensatordielektrikum 13 und einem Außenleiter 8. Die beiden Leiter 7 und 8 können an ihren oberen (oder unteren) Enden direkt mit den Enden der vorzugsweise einwindigen Induktionsheizspule 6 verbunden sein. Außerhalb des Behandlungsgefäßes 1 befindet eich die Anschlußstelle für die äußere Verbindungsleitung 9 stm Hochfrequenzgenerator 10, die vorteilhafterweise als Koaxialkabel ausgestaltet ist. Im Gegensatz zu dem Schwingkreiskondensator 5 ist jedoch die Zuleitung 9 biegsam und weist ein für die Kabelherstellung übliches Dielektrikum, insbesondere Polyäthylen oder Polytetrafluoräthylen, auf. Die bezogene Kapazität je Meter eines solchen handelsüblichen Kabels liegt bei etwa 30 bis 100 pP.

Beim Zonenschmelzen von Halbleiterstäben, insbesondere von Siliciumstäben, wird im Interesse einer optimalen Heizwirkung die Frequenz des von dem Hochfrequenzgenerator 10 gelieferten Wechselstromes auf etwa 3 bis 4 MHz eingestellt. Aufgrund der bei üblichen Hochfrequenzleitungen 9 gegebenen Induktivität brauchte man zu einer wirksamen Unterdrückung der Blindkomponenten der in dem zonenzuschmelzenden Halbleiterstab induzier-

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ten Ströme eine Schwingkreiskapazität von mindestens 20 iiF, insbesondere sogar von 30 "bis 40 nP. Diese Kapazität soll realisiert werden, ohne daß gleichzeitig die Induktivität eine weitere Erhöhung erfährt.

Trollte man zur Lösung dieser Aufgabe ein übliches koaxiales Kabel als Schwingkreiskapazität benutzen, so brauchte man große längen von diesem Kabel. Dies würde aber zu gleicher Zeit eine beträchtliche Erhöhung der Induktivität des Gesamtkreises und damit wiederum eine Vergrößerung der zu kompensierenden Blindkomponenten des Heizstromes in dem Halbleiterstab bringen.

Hingegen kann man bei Verwendung eines massiven Kondensatordielektrikums mit einer relativen DK von mindestens 10, insbesondere von mindestens 100 erreichen, daß die bezogene Kapazi«- tät einer solchen Koaxialleitung um den gleichen Faktor ansteigt, während die bezogene Induktivität durch diese Maßnahme nicht beeinflußt wird. Geeignet sind als Kondensatordielektrikum zum Beispiel Keramiken auf der Basis von Titandioxid oder Magnesiumtitanat. Damit läßt sich ohne Schwierigkeiten die erforderliche Schwingkreiskapazität mit einem induktionsarmen Koaxialkondensator 5 realisieren, dessen Länge nicht oder nur wenig größer ist als die Mindestlänge der Stäbe, die für das Zonenschmelzen notwendig ist.

Der Koaxialkondensator 5 kann innerhalb mindestens eines weiteren Metallrohres 14 koaxial angeordnet sein. Dieses Rohr kann dann den mechanischen Schutz des Kondensators übernehmen, da dann dieses äußere Rohr gleitend in der Dichtung 7 bewegbar ist, während der eigentliche Kondensator in diesem Rohr fest angeordnet ist. Eine weitere Ausgestaltung dieser Art kann entsprechend den Ausführungen der DOS 1 916 316 (VPA 68/1648) erfolgen. Dort ist eine Vorrichtung zum induktiven tiegellosen Zonenschmelzen von Stäben mit einer in einem abgeschlossenen

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Behandlungsgefäß angeordneten, zur Erzeugung und Beheizung der Schmelzzone in den zu behandelnden Stäben dienenden Induktionsspule beschrieben, die über eine elektrische Zuleitimg mit einer außerhalb des Behandlungsgefäßes anzuordnenden Energiequelle verbunden ist und bei der der durch die Wand des Behandlungsgefäßes geführte Seil der elektrischen Zuleitung aus mehreren koaxial zueinander angeordneten, rohrförmigen Einzelleitern besteht und. bei der schließlich die rohrförmigen Einzelleiter in zwei Gruppen derart aufgeteilt sind, daß jede Gruppe aus zueinander parallelgeschalteten Einzelleitern besteht und daß jeder Einzelleiter nur zu Einzelleitern der an- W deren Gruppe benachbart ist. Vorzugsweise der Äußerste dieser rohrförmigen Leiter bildet dann mit dem ihm zunächst liegenden Leiter den Schwingkreiskondensator, der innerhalb der anderen rohrförmigen Leiter koaxial durch entsprechende I.Iittel, zu^tü Beispiel auch mittels eines massiven Dielektrikums mit hoher DK, befestigt ist. Durch eine solche Parallelschaltung der Kapazitäten und damit auch der Induktivitäten v/ird die Induktivität des Gesamtkreises weiter vermindert und die Kapazität weiter erhöht, so daß eine v/eitere Ausgestaltung im Sinne der Lösung der von der Erfindung behandelten Aufgabe erreicht ist.

Bei der in Figur 2 dargestellten, besonders günstigen Ausführungsform der Halterung 5 für die Heizspule 6 ist der eigentliche Schwingkreiskondensator im Innern eines weiteren zylindrischen Metallrohres 14 - und zwar konzentrisch zu diesem befestigt. Der Schwingkreiskondensator ist dabei durch ein keramisches Rohr 13 mit einer großen Dielektrizitätskonstante sowie einer Metallisierung 7 an der Innenwand dieses Rohres als Kondensator-Innenleiter und einer hiervon isolierten Metallisierung 8 an der Außenwand des Keramikrohres 13 als Kondensator-Außenleiter gebildet. Das diesen Kondensator umgebende Metallrohr 14 ist zugleich als Behälter für ein strömendes Kühlmittel 15, zum Beispiel Kühlwasser, ausgebildet. Zu diesem Zweck ist das Rohr 14 an seinem oberen und unteren. Ende

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mit Ausnahme von Zuführungen und Abführungen für das Kühlmittel abgeschlossen. Dieser Behälter ¥/ird_s wie aus der Pigur 2 ersichtlich., in seiner gesamten Länge von dem Körper des eigentlichen Schwingkreiskondensators derart durchsetzt, daß" der Innenraum dieses Behälters aus zwei konzentrischen, durch den Kondensator voneinander getrennten Kammern "besteht.. Die eine dieser Kammern "befindet sich im Innern des rohrförmigen Kondensatorkörpers, während die andere Kammer außen von dem Rohr 14 und innen von dem rohrförmigen Kondensatorkörper "begrenzt wird. Beide Kammern sind mit je zwei Anschlußstutzen für das Kühlmittel 15 versehen. Beispielsweise gelangt das Kühlmittel über den unteren Endverschluß 12 der Halterung 5 für die Induktionsheizspule 6 in die innere Kammer, strömt von dort über den oberen, die Induktionsspule 6 tragenden Endverschluß 11 in die als gewundenes Metallrohr ausgestaltete Induktionsspule 6 und fließt dann nach dem Durchströmen der Induktionsspule 6 über die äußere Kammer der Anordnung 5 ab.

Die Anordnung ist außerdem so getroffen^ daß das Keramikrohr 13 des Kondensatorkörpers die beiden Teile der metallischen Endverschlüsse 11 und 12 ebenso wie die Innen- und Außenleiter 7 und 8 des Kondensators elektrisch gegeneinander isoliert., Die Kontaktierung der Beläge 7 und 8 des Kondensatorkörpers erfolgt, wie bereits festgestellt, über das Kabel 9₅ das elektrisch über den äußeren Teil des unteren Endverschlusses 12 den Außenleiter und über den inneren Teil des Endverschlusses 12 den Innenleiter des Kondensators kontaktiert. Der Innenleiter 7 stellt dann die elektrische Verbindung zum inneren Teil des Endverschlusses 11 und damit zu der einen Anschlußstelle der Induktionsspule 6 dar, während die elektrische Verbindung der anderen Anschlußstelle der Induktionsspule 6 über den Außenleiter 8 des Kondensators und gegebenenfalls dem metallischen Außenleiter 14 sowie dem äußeren Teil des oberen Endverschlusses 11 geleistet wird»

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'Die Bestandteile der Endverschlüsse 11 und 12 können sowohl mit dem Kondensatorkörper als auch mit dem Rohr 14» der Induktionsspule 6 und den Enden des Anschlußkabels 9 durch V«^reichlöten verbunden sein* Außerdem können die Endverschlüsse, insbesondere der Endverschluß 11, zusätzlich mit einer Schutzschicht aus hitzebeständigem Material, zum Beispiel Siliconkautschuk oder PolytetrafTuoräthylen versiegelt sein. Die Schutzschicht ist in der Figur nicht dargestellt. Der Kondensator-Innenleiter 7 und der Kondensator-Außenleiter 6 können beispielsweise aus in die Oberfläche des Keramikrohres 13 ein-r gebranntem Silber bestehen.

Einzelheiten über die Dichtung 17, durch die der Träger 5 der Induktionsspule hindurchgeführt und in welcher er axial verschiebbar ist, sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Der Vollständigkeit halber soll erwähnt v/erden, daß diese Dichtung beispielsweise aus mehreren, in einem Stapel angeordneten und den der Dur chführungs stelle mit der Wand des Behandlungsgefäßes 1 dichtverbundenen ringförmigen Dichtungslippen bestehen kann, wobei die Zwischenräume benachbarter Dichtungslippen mit einem geeigneten, möglichst wenig flüchtigen und thermischbeständigem, flüssigen Dichtungsmittel gefüllt sein können*

Es besteht ohne weiteres die Möglichkeit, zwei oder mehrere parallelgeschaltete Schwingkreiskondensatoren innerhalb des Rohres 14 unterzubringen. In diesem Falle ist dann eine konzentrische oder eine exzentrische Anordnung beider Kondensatoren möglich. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß die mit einem Koaxialkondensator von 20 bis 30 cm Länge erzielbare Kapazität durchaus ausreicht, um die Blindkomponenten des in dem Halbleiterstab 4 induzierten Heizstromes wirksam auszugleichen und die effektive Heizwirkung beträchtlich zu erhöhen.

8 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung für das tiegellose Zonenschmelzen eines Stabes aus Halbleitermaterialj insbesondere aus Silicium, mittels einer koaxial zum Stab angeordneter insbesondere einwindigen Induktionsheizspule, die im Innern eines den Halbleiterstab aufnehmenden Behandlungsgefäßes angeordnet und über eine - abgedichtet durch die Wand des Behandlungsgefäßes . hindurchgeführte - elektrische leitung an einen Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist, dadurch g e • kennzeichnet, daß die eine der beiden elektrischen Anschlußstellen, der in an sich bekannter \7eise mittels eines parallelgeschalteten Kondensators zu einem elektrischen Schwingkreis ergänzten Induktionsheizspule mit dem Innenleiter, die andere Anschlußstelle mit dem Außenleiter des als starre koaxiale Leitung ausgebildeten und durch die Wand des Behandlungsgefäßes nach außen geführten Schwingkreiskondensators verbunden ist und daß die auf die Längeneinheit bezogene Kapazität dieses Kondensators mindestens 20mal so groß wie die auf dieselbe Längeneinheit bezogene Kapazität der die weitere Verbindung zum Hochfrequenzgenerator bildenden Hochfrequenzleitung ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sowohl die Induktionsheizspule parallel zu der Achse des zu behandelnden Halbleiterstabes und der Achse des Schwingkreiskondensators als auch der Schwingkreiskondensator axial verschiebbar ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Induktionsheizspule nur vom Schwingkreiskondensator getragen ist.

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4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, ' daß mindestens der durch die Y/and des Behandlungsgefäßes geführte Teil des Schwingkreiskondensators konzentrisch au mehreren, koaxial zueinander angeordneten Metallrohren liegt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätskonstante des massiven Dielektrikums des Schwingkreiskondensators mindestens 10mal größer als die Dielektrizitätskonstante der Isolation der Verbindungsleitung zum Hochfrequenzgenerator ist»

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1: bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß entweder der Außenleiter des Schwingkreiskondensators oder ein den Schwingkreiskondensator umgebendes und mit ihm mechanisch festverbundenes Rohr durch eine Dichtung in Gestalt mehrerer, mit der Wand des Behandlungsgefäßes dichtverbundenen Dichtungslippen geführt ist, deren Zwischenräume mit einem inerten, flüssigen Abdichtraittel gefüllt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum des Schwingkreiskondensators aus Keramik mit hoher DK, zum Beispiel auf Basis von TiOp oder Magnesiumtitanat, besteht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreiskondendator aus einem Rohr (13) aus einem Isoliermaterial mit hoher DK besteht, an dessen Innenwand der Innenleiter (7) und an dessen Außenwand der Außenleiter des Schwingkreiskondensators in Porm zweier elektrisch gegeneinander isolierten Metallisierungen (7, 8) aufgebracht

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ist, daß dieser Schwingkreiskondensator konzentrisch in einem an beiden Enden durch Endverschlüsse (11) und (12) abgeschlossenen Metallrohr (14) in dessen Innern derart angeordnet ist, daß der Innenraum des äußeren Metallrohres (14) durch den Schv/ingkreiskondensator in zwei voneinander getrennte. Kammern unterteilt ifst, daß beide Kammern ausschließlich über die als Hohlrohr ausgestaltete Induktionsheizspule (6) miteinander in kommunizierender Verbindung stehen und daß schließlich die eine Kammer mit einer Einlaßstelle, die andere Kammer mit einer Abflußstelle für ein strömendes Kühlmittel verseilen ist.

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