DE3616595A1 - Schaltungsanordnung fuer das tiegelfreie zonenziehen von halbleiterstaeben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für das tiegelfreie Zonenziehen von Halbleiterstäben mit den Merkmalen:

• a) ein Schwingkreiskondensator liegt parallel zu einer Reihenschaltung einer Schwingkreisspule und einem Heizparallelschwingkreis;
• b) der Heizparallelschwingkreis besteht aus einem Heizkreiskondensator und einer geerdeten Induktionsheizspule;
• c) die Schwingkreisspule hat im Vergleich zur Induktionsheizspule eine große Induktivität;
• d) der Knotenpunkt zwischen Schwingkreisspule und Schwingkreiskondensator ist an eine Ausgangsklemme eines Hf-Generators angekoppelt;

Beim tiegelfreien Zonenziehverfahren wird ein kristalliner Halbleiterstab, vorzugsweise ein Siliciumstab, an seinen beiden Enden eingespannt und senkrecht gehaltert. Die beiden Halterungen, die z. B. an lotrechten Wellen befestigt sind, können um ihre Achsen gedreht werden und - wenn z. B. der Stabquerschnitt beim Zonenschmelzen verändert werden soll - in vertikaler Richtung verschoben werden. Um eine Schmelzzone im Halbleiterstab zu erzeugen, wird ein Teil des Halbleiterstabes von einer Induktionsheizspule ringförmig umgeben. Fließt durch diese Induktionsheizspule ein hochfrequenter Wechelstrom, so erzeugt das von der Induktionsheizspule gebildet hochfrequente Wechselfeld infolge der im Halbleiterstab auftretenden Wirbelströme eine Schmelzzone. Um die Schmelzzone durch den Halbleiterstab der Länge nach hindurchzuführen, können entweder bei feststehender Induktionsheizspule die obere und die untere Stabhalterung parallel zur Ziehachse verschoben werden oder aber die Induktionsheizspule selbst ist axial verschiebbar angeordnet.

Beim Herstellen von einkristallinen Halbleiterstäben wird zu Beginn des tiegelfreien Zonenziehverfahrens ein einkristalliner Keimkristall an den Halbleiterstab angeschmolzen. Der Durchmesser des Keimkristalles ist im allgemeinen ein Vielfaches kleiner als der des zu ziehenden Halbleiterstabes. Man sieht deshalb zu Beginn des Zonenziehverfahrens einen allmählichen anwachsenden Durchmesser der Schmelzzone vor. Damit wird zwischen Keimkristalldurchmesser und dem Durchmesser des auskristallisierenden Einkristalls ein konischer Übergang erzielt.

Die Induktivität der Induktionsheizspule, deren Abmessungen während des gesamten Zonenziehvorganges nicht verändert werden, verkleinert sich mit zunehmender Last, daß heißt mit zunehmendem Durchmesser der Schmelzzone. Die Änderung von Induktivität und Güte mit wachsendem Durchmesser der Schmelzzone hat erhebliche Änderungen des in der Schmelzzone erzeugten Stromes zur Folge.

In der deutschen Offenlegungsschrift 29 38 348 ist eine Schaltungsanordnung eines Hf-Generators für das tiegelfreie Zonenziehen beschrieben. Die einzelnen Schaltungsteile müssen nicht gekühlt werden. Der Ausgang eines Hf-Generators ist über einen Koppelkondensator mit einem Parallelschwingkreis verbunden, der aus einem Schwingkreiskondensator und einer Reihenschaltung aus Schwingkreisspule und Induktionsheizspule besteht. Die Schwingkreisspule hat im Vergleich zur Induktionsheizspule eine große Induktivität. Zusätzlich ist der Induktionsheizspule ein Heizkreiskondensator mit relativ großer Kapazität parallel geschaltet. Der Heizkreiskondensator dieses Heizparallelkreises ist so dimensioniert, daß dessen Resonanzfrequenz fs um weniger als den Faktor 2 von der Frequenz fp (z. B. zwischen 1 und 5 MHz) des Hf-Generators abweicht. Durch diese Maßnahme wird die Schaltungsanordnung unkritisch gegenüber Laständerungen, die beim Ziehen von Halbleiterstäben mit Durchmessern größer als 50 mm hervorgerufen werden. Zusätzlich hat die Schaltungsanordnung dazu beigetragen, das Auftreten von Spannungsspitzen und dadurch von Spannungsüberschlägen im Bereich der Induktionsheizspule zu vermindern, die die Zonenschmelzanlage beschädigen könnten.

Sollen kristalline Halbleiterstäbe mit Durchmessern größer als 100 mm durch das tiegelfreie Zonenziehverfahren und unter Verwendung des in der deutschen Offenlegungsschrift 29 38 348 beschriebenen Hf-Generators hergestellt werden, so hat sich gezeigt, daß infolge der großen Laständerung in der Induktionsheizspule der Wirkungsgrad des Hf-Generatorsystems sinkt und keine optimale Auskopplung der Anodenwechselspannung an den Heizparallelkreis erreicht wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die in der deutschen Offenlegungsschrift 29 38 348 beschriebene Schaltungsanordnung so weiterzubilden, daß der Hf-Generator für das tiegelfreie Zonenziehen von Siliciumstäben mit großen Durchmessern, z. B. größer als 100 mm, bezüglich einer Laständerung unkritisch ist und einen guten Wirkungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung mit einseitig geerdeter Induktionsheizspule,

Fig. 2 den Frequenzgang der Schaltungsanordnung bezüglich der Klemmen a a′ und

Fig. 3 die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung mit Mittelerdung der Induktionsheizspule.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 enthält einen der Einfachheit halber nur als Triode dargestellten Hf-Generator, dessen Ausgang über einen Koppelkondensator 2 mit einem Parallelschwingkreis verbunden ist, der aus einem Schwingkreiskondensator 3 mit einstellbarer Kapazität und einer Serienschaltung von Schwingkreisspule 4 und Induktionsheizspule 5 besteht. Die Schwingkreisspule 4 hat eine große Induktivität im Vergleich zur Induktionsheizspule 5, die z. B. einwindig als geschlitzter rotationssymmetrischer Hohlkörper ausgeführt sein kann. Solche Induktionsheizspulen 5 haben eine sehr geringe Induktivität. Parallel zur Induktionsheizspule 5 ist ein Heizkreiskondensator 6 mit relativ großer Kapazität parallel geschaltet. Die Kapazität des Heizkreiskondensators 6 ist so bemessen, daß die Resonanzfrequenz des Heizparallelkreises maximal um den Faktor 2 von der Arbeitsfrequenz des Generators abweicht.

Die Arbeitsfrequenz fp des Hf-Generators bestimmt sich im Wesentlichen aus den Werten des Parallelschwingkreises, also des Schwingkreiskondensator 3 und der Serienschaltung von Schwingkreisspule 4 und Induktionsheizspule 5.

Läßt man den Koppelkondensator 1 unberücksichtigt, so ist der Hf-Generator mit einem Reaktanzzweipol gemäß der Reaktanzzweipolfunktion

an den Klemmen a, a′ abgeschlossen, wenn die einzelnen Schaltungselemente (C₃, L₄, C₆, L₅) als verlustfrei angenommen werden. (Es bedeuten in dieser Formel:

C₃= Kapazität des Schwingkreiskondensators, L₄= Induktivität der Schwingkreisspule, C₆= Kapazität des Heizkreiskondensators, L₅= Induktivität der Induktionsheizspule, p= j 2π f, j = Imaginäre Einheit, f = Frequenz)

In Fig. 2 ist der Frequenzgang, daß heißt die Amplitude von X(f) bezüglich der Klemmen a, a′ abhängig von der Frequenz aufgetragen. An den Grenzen zu den Polstellen der Funktion X(f) ist deutlich der Sprung vom induktiven zum kapazitiven Verhalten des Reaktanzzweipols zu erkennen.

Ein Ändern der Induktivität der Induktionsheizspule im Verlauf des tiegelfreien Zonenziehens ruft einen anderen Frequenzgang der Reaktanzzweipolfunktion X(p) hervor. Maximale Leistungsanpassung ist dann möglich, wenn der Ausgangswiderstand des Hf-Generators auf den Lastwiderstand transformiert wird. Eine Änderung der Induktivität bewirkt eine Änderung des Abschlußwiderstandes und damit eine Fehlanpassung. Mit einer geeigneten Einstellung des Kapazitätswertes des Schwingkreiskondensators 3 kann die Induktivitätsänderung der Induktionsheizspule 5 kompensiert werden.

Theoretisch würde auch eine Änderung des Heizkreiskondensators 6 eine Kompensation der Induktivitätsänderung der Induktionsheizspule 5 bewirken können, aber aus praktischen Gründen (die Kapazität des Heizkreiskondensators muß im 10^-8-Faradbereich liegen und ist damit nicht als einstellbarer Kondensator realisierbar) nicht durchführbar.

Im praktischen Betrieb der Schaltungsanordnung wird z. B. ein Spannungmeßgerät parallel zur Induktionsheizspule geschaltet, das bei Laständerung einen Spannungsabfall gegenüber dem lastlosen Zustand anzeigt. Von Hand oder motorisch kann z. B. die Kapazität des Schwingkreiskondensators nachgestellt werden und somit eine optimale Anpassung erreicht werden.

Um einen hohen Leistungsbereich an der Induktionsheizspule zur Verfügung zu haben, ist es zusätzlich möglich die Ausgangsspannung des Hf-Generators variierbar zu machen. Dies kann z. B. durch einen Thyristorsteller für die Anodenspannung der Hf-Endstufenröhre geschehen.

In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt, das sich von der Schaltungsanordnung in Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß die Induktionsheizspule 5 in Spulenmitte geerdet ist. Auf das Darstellen der Rückkopplung in den Fig. 1 und 3 wurde wegen der besseren Übersichtlichkeit verzichtet. Es ist lediglich aus Stabilitätsgründen der Schaltungsanordnung zu berücksichtigen, daß die Schaltungselemente 3, 4, 5 und 6 so dimensioniert werden, daß die zweite Polfrequenz des Schwingkreises keine Rückkopplungsbedingung hat.

Claims (1)

1. Schaltungsanordnung für das tiegelfreie Zonenziehen von Halbleiterstäben mi den Merkmalen:

   • a) ein Schwingkreiskondensator liegt parallel zu einer Reihenschaltung einer Schwingkreisspule und einem Heizparallelschwingkreis;
   • b) der Heizparallelschwingkreis besteht aus einem Heizkreiskondensator und einer geerdeten Induktionsheizspule;
   • c) die Schwingkreisspule hat im Vergleich zur Induktionsheizspule eine große Induktivität;
   • d) der Knotenpunkt zwischen Schwingkreisspule und Schwingkreiskondensator ist an eine Ausgangsklemme eines Hf-Generators angekoppelt;
     gekennzeichnet durch die Merkmale:
   • e) die Kapazität des Schwingkreiskondensators (2) ist einstellbar;
   • f) die Ausgangsspannung des Hf-Generators (1) ist einstellbar.