DD159088A1 - Vorrichtung zum abstuetzen des kristalls beim tiegelfreien zonenschmelzen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Kristallzuechtungsanlagen. Ziel der Erfindung ist es, den Kristallzuechtungsprozess bei langen stabfoermigen Kristallen grosser Masse, die auf einem Duennhals aufwachsen, stoerungsfreier zu machen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die axiale und radiale Stuetzung des Kristalls praktisch impulsfrei unter Ausschluss subjektiver Einfluesse zu ermoeglichen. Erfindungsgemaess wird d. bei einer Anordnung mit einer schwimmenden Stuetzringanordnung auf einem koaxial zur Ziehspindel angeordneten Rohr fuer die axiale Stuetzung und drei Stuetzhebeln zur radialen Stuetzung dadurch erreicht, dass die Stuetzhebel ueber Koppelstangen mit Hebeln verbunden sind, die an der Stuetzringanordnung angelenkt sind, wodurch nach erfolgter axialer Stuetzung des Kristalls infolge der Abwaertsbewegung der Stuetzringanordnung die Stuetzhebel langsam an den Kristall herangeschwenkt werden.

Description

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Vorrichtung zum Abstützen des Kristalls beim tiegelfreien Zonenschmelzen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Srfindung ist beim tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleiterkristallen in Stabform auf einem Dünnhals anwendbar, wenn die Masse und die länge des Kristalls so groß werden, daß die Gefahr des Brechens des Dünnhalses besteht«

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist eine Lösung bekannt, bei der Elemente zur radialen Abstützung des Halbleiterkristallstabes mit Hilfe einer Vorrichtung an den Kristall herangeführt werden (DB-OS 2 515 850,. 2 548 050, 2 626 311, 2 626 377, 2 652 199). Diese Elemente in Form von Hebeln oder Stützringen werden durch Stellglieder betätigt, die entweder durch den Boden der Arbeitskammer oder koaxial und innerhalb der Arbeitsspindel durch deren Stirndeckel in die Arbeitskammer geführt werden. Da für das Verfahren Vakuumbetrieb oder Schutzgas erforderlich ist, müssen diese Durchführungen vakuum- und gasdicht sein_e Daher sind für die Axial- oder Drehdurchführung Gummielastische Dichtelemente erforderlich, die jedoch im Hinblick auf das ihnen eigene Losbrech- und Stick-slip-Verhalten zu einer Unstetigkeit der Stellbewegung führen und infolge der ungenügenden Jeinfühligkeit zur Störung des Kristallwachstums und zur Bruchhavarie führen können. Der Stützvorgang ist daher im hohen Maße vom Geschick des Operateurs abhängig. Das trifftjum so mehr zu, wenn nach einem Verfahren mit bewegter unterer Arbeitsspindel und

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langen Stellwegen (größer 1,50 m) gearbeitet wird, weil die hier erforderlichen Getriebe zur Umlenkung und übersetzung der Stellbewegungen die Anzahl störender Einflußgrößen, wie Passungsspiel, Getriebelose, Schmierzustand usw. erhöhen«

Andere Lösungen verwenden Failleörper als Klemmkörper, die zwischen die mit dem Kristall rotierende Stützvorrichtung und den Kristall fallen und infolge selbsthemmender Auslegung den Kristall fixieren (DE-OS 2 833 615, 2 853 415)* In der DE-OS 2 853 416 ist zwischen dem Klemmkörper und dem Kristall noch ein zusätzlicher Schwenkhebel angeordnet. Um jedoch eine sichere Festlegung des Kristalls zu erzielen, muß der Fallkörper eine Mindestenergie im Antastmoment auf» weisen, die zu Erschütterungen führen kann_o Ein grundsätzliches und kaum lösbares Problem entsteht bei der Nutzung der bekannten Lösungen , wenn neben der Bedingung einer langen, axial bewegten unteren Arbeitsspindel nicht die Möglichkeit koaxialer, mechanischer Durchführungen in der Arbeitsspindel gegeben ist, z.B, wenn diese, aber auch der Rezipientenboden, durch ihre Antriebstechnik nach außen zu abgeschirmt ist, wie z.B. in der DD-PS 126 766.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den Kristallzüchtungsprozeß bei langen stabförmigen Kristallen großer Masse, die auf einem Dünnhals aufwachsen, störungsfreier zu machen«,

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die axiale und radiale Stützung des Kristalls praktisch impulsfrei unter Ausschluß subjektiver Einflüsse zu ermöglichen. Erfindungsgemäß wird das bei einer Anordnung, bei der eine schwimmende Stützringanordnung für die axiale Stützung des Kristailstabes mit einem Rohr in Verbindung steht, das koaxial auf der Ziehspindel gelagert ist und mit dieser synchron rotiert, und bei der drei Stützhebel zur radialsn Stützung des Kristalls angeordnet sind, die ebenfalls mit

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dem genannten Rohr verbunden sind, dadurch erreicht, daß am oberen Ende des Rohres ein Ring befestigt ist, an dessen äußerem Rand auf seiner Unterseite den Stützhebeln zugeordnete zweiarmige Hebel angelenkt sind, wobei der dem Rohr zugewandte Hebelarm der zweiarmigen Hebel und der dem Kristall zugewandte Teil der Stützhebel mit einer Koppelstange verbunden sind, und wobei über dem anderen Ende des zweiarmigen Hebels ein .Anschlag angeordnet ist, daß dem Ring ein oberer Anschlag zugeordnet ist, daß verschiebbare, den Ring gegen den oberen Anschlag ziehende Massen angeordnet sind und daß den Stützhebeln drehmomentenbelastete Sperrexzenter zur Verriegelung der Stützhebel in der Stützstellung zugeordnet sind.._.

Die den Ring gegen den oberen Anschlag ziehenden Hassen sind zweckmäßig in drei Führungsrohren angeordnet, und mit Hilfe von Bändern, z.B. aus Stahl, über Umlenkrollen am Ring befestigt. Die Führungsrohre sind unten starr mit einer Grundplatte verbunden, die ihrerseits konzentrisch zur Ziehspindel angeordnet ist. Die Führungsröhre sind oben durch einen Anschlagring untereinander verbunden.

Ss ist zweckmäßig, daß die Baugruppen zur axialen und radialen Stützung des Kristalls auf einem Stützkäfig angeordnet sind, der aus dem Ring mit dem zweiarmigen Hebel und zwei im Abstand voneinander über dem Ring koaxial angeordneten weiteren Ringen besteht» wobei alle Ringe an ihrem äußeren Rand durch Verbindungsstäbe verbunden sind, daß auf dem · mittleren Ring die schwimmende Stützringanordnung zur axialen Stützung angeordnet ist und daß auf dem oberen Ring die Stützhebel für die radiale Stützung und die zugehörigen Sperrexzenter angeordnet sind.

Die Sperrexzenter weisen eine Kurvenform auf, die sur Unterstützung der Stellbewegung der Stützhebel zu Beginn ihrer Bewegung in einem Bereich als Hebel mit Radien in den Berührungspunkten mit den Stützhebeln ausgeführt sind, und in einem anschließenden Bereich, der kurz vor der Verriegelung der Stützhebel wirksam wird, als selbsthemmende Exzenterkurven ausgeführt sind.

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Ss ist zweckmäßig, daß die Lagerungen der vorzugsweise aus austenitischem Stahl bestehenden Wellen für die Stutzhebel und die Sperrexzenter aus Buchsen aus PTPE oder nachverdichteter reiner Kohle bestehen. Die Gleitbahnen der Sperrexzenter sollten ebenfalls mit temperaturfestern Material mit günstigem Reibverhalten beschichtet sein.

Die Stützhebel können als Keramikstifte ausgeführt sein, die in einer Halterung in ihrer Achsrichtung verstellbar sind«.

Bei dieser Anordnung wird der Kristall im Verlauf des Ziehvorganges zunächst im Bereich des kegeligen Abschnittes durch die an sich bekannte schwimmende Stützringanordnung axial gestützt. Die Masse des Kristalls drückt dann im Verlauf des weiteren Ziehvorganges, bei dem der Kristall weiter nach unten bewegt wird, über den Stützring den Ring abwärts. Dadurch werden die Anlenkpunkte der zweiarmigen Hebel ebenfalls nach unten bewegt. Die mit dem zweiarmigen Hebel verbundenen Koppelstangen werden dabei ebenfalls nach unten bewegt und ziehen ihrerseits die Stützhebel gegen den Kristall. Die Abwärtsbewegung des Ringes infolge des Druckes des Kristallstabes auf den Stützring erfolgt solange, bis die Stützhebel am Kristall anliegen,,

Innerhalb der Z leitspindel sollte eine Vorrichtung zur Arretierung des Rohres gegenüber der Ziehspindel angeordnet sein, die einen nach unten verjüngten Doppelkeil hat, dessen Keilflächen Spannbacken zugeordnet sind, die in der Wandung der Ziehspindel geführt sind und gegen die Innenwandung des Rohres andrückbar sind, wobei zwischen den Keilflächen und den Spannbacken Nadellager angeordnet sind. Diese Vorrichtung zur Arretierung des Rohres verhindert für den Pall des Brechens des Dünnhalses eine Havarie.

Die Anordnung hat den Vorteil, daß der gesamte direkte Stützprozeß durch die Bewegung der Ziehspindel selbst gesteuert wird und daß keine mechanischen Durchführungen durch den Rezipienten nach außen erforderlich sind· Der weitere Vorteil besteht darin, daß die Antastkräfte definiert und genügend klein sind, so daß der Kristall nicht erschüttert wird.

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Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel an Hand einer Zeichnung näher erläutert werden.

Ein an sich bekanntes Rohr 2 ist auf einer Ziehspindel 1 mittels Lagerelementen 3 aus Polytetrafluorethylen in Dreipunktanordnung gelagert. Ein lagerelement 3 ist radial durch eine Feder 4 "belastet, so daß das Rohr 2 spielfrei gelagert ist. Auf dem Rohr 2 ist ein flachkegeliger Ring 5 "befestigt, an dessen Rändern koaxial Yerbindungsstäbe 6 angeordnet sind» An diesen sind koaxial über dem Ring 5 und im Abstand zu diesen ein Ring 7 und über diesem im Abstand ein Ring 8 befestigt» Die Ringe 5_t 7» 8 liegen also in drei Ebenen übereinander·

Am äußeren Rand des Ringes 5 sind 120 versetzt zueinander drei zweiarmige Hebel 9 angeordnet. Auf dem Ring 7 ist eine an sich bekannte Stützringanordnung 10 koaxial zur Ziehspindel 1 vorhanden und auf dem oberen Ring 8 sind drei mit den zweiarmigen Hebelm 9 in vertikaler Richtung fluchtende Stützhebel 11 für die radiale Stützung angeordnet« Die aus den Ringen 5» 7, 8 und den Verbindungsstäben 6 bestehende Anordnung, die nachfolgend als Stützkäfig 12 bezeichnet ist, wird durch Gewichte 13» die z.B. 5 kg schwerer sind als der Stützkäfig 12, über Stahlfolienbänder 14 und Umlenkrollen 16 gegen einen mit der Ziehspindel 1 rotierenden, aber axial festen Anschlag 15 gezogen. Zur Erzielung dieses rotierenden Anschlages 15 ist eine koaxial zur Ziehspindel 1 angeordnete und mit dieser rotierende, im Rezipientenboden axial starr gelagerte und nach innen und außen vakuumdichte Hülse 18 mit einer Grundplatte 19 fest verbunden. Mindestens drei Führungssäulen oder -rohre 20 sind im gleichmäßigen Abstand zueinander am Umfang der Grundplatte 19 angeordnet und fest mit dieser verbunden.

Die Führung sr öhre 20 dienen der Führung der Gewiciite 13 und der Umlenkrollen 16 und sie sind an ihrem oberen Snde durch einen Anschlagring 21 fest miteinander verbunden. Der Anschlagring 21 hat Anschlagbolzen 15 für den Ring 5 und An-

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schlagbolzen 23 für das der Zishspindel 1 abgewandte Ende der zweiarmigen Hebel 9.

Das der Ziehspindel 1 zugewandte Ende der zweiarmigen Hebel 9 ist mit je einer Koppelstange 24 verbunden. Das andere Ende der Koppelstangen 24 ist an der dem Kristall zugewandten Seite des jeweils zugeordneten Stützhebels 11 angelenkt. Dem Kristall abgewandten Hebelarm der Stützhebel 11 ist je ein Sperrexzenter 25 zugeordnet, der durch eine Feder oder eine Masse drehmomentbelastet ist. Der zweiarmige Hebel 9 trägt auf seinem Hebelarm, der der Ziehspindel abgewandt ist, eine verschiebbare Masse 33» mit der die mindest erforderliche bzw. maximal zulässige Kraft für die Antastung des Stützhebels 11 an den Kristall einstellbar ist.

Im oberen Ende der Ziehspindel 1 ist eine hydraulisch betätigbare, radial ausfahrbare Spannvorrichtung 26 angeordnet, die einen axial verschiebbaren Doppelkeil 27 hat, dem in der Wand der Ziehspindel 1 radial verschiebbare Spannbacken 29 augeordnet sind . Zwischen dem Doppelkeil und den Spannbacken sind Nade!führungen 28 vorhanden. Die Spannbacken 29 drücken bei einer entsprechenden Stellung des Doppelkeiles 27 gegen die Innenwand des Rohres 2 und arretieren es damit an der Ziehspindel 1 .

Die Stützringanordnung 10 enthält einen lose aufliegenden Stützring 30, dessen Innendurchmesser kleiner als der Durchmesser der Ziehspindel 1 und des Kristalls 32, aber größer als der Durchmesser einer fest mit dieser verbundenen Keimhalterung 31 ist.

Zu Beginn des Züchtungsprozesses wächst aus dem Keimkristall der Dünnhals. Im weiteren Prozeßverlauf wird der kegelige Übergang gebildet, der schließlich in den zylindrischen Kristall übergeht. Während des Züchtungsprozesses wird der Kristall mittels der Ziehspindel 1 nach unten bewegt. Nach Erreichen der Stützfähigkeit des wachsenden Kristalls wird zunächst der auf der Stirnseite der Ziehspindel 1 aufliegende Stützring 30 auf der federelastischen Schwimmringanordnung 10 abgelegt, wonach der kegelige Teil des Kristalls mit der Wachstumsgeschwindigkeit den Stützring 30 und danach den Stützkäfig 12 antastet bzw. belastet» Dabei wird zunächst der

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Stützring 30 nach unten gedrückt, wobei die Stützringanordnung eine radiale Dämpfungskraft aufbaut und eine axiale Stützkraft auf den Ring 7 überträgt· Hierdurch wird der Kristall zunächst axial gestützt. Bei der weiteren Abwärtsbewegung des Kristalls wird der Stützkäfig 12 ebenfalls abwärts· bewegt, wobei sich der Ring 5 vom Anschlag 15 löst. Die Gewichte bewirken hierbei über die Stahlfolienbänder 14 und die Uralenkrollen 16 eine definierte axiale Antastkraft auf den Kristall, was auch eine kristallseitige Gewichtsentlastung für den Dünnhals bedeutet·

lach dem Abrücken des Stützkäfigs 12 vom Anschlag 15 bleiben die der Ziehspindel 1 abgewandten Hebelarme der zweiarmigen Hebel 9 am Anschlag 23» so daß infolge der Drehung der zweiarmigen. Hebel 9 eine relative Abwärtsbewegung der Koppelstangen 24 erfolgt. Dabei bewegen sich die Stützhebel 11 sehr langsam auf den Kristall zu bis sie an diesem anliegen. Gleichzeitig liegen die Sperrexzenter 25 infolge der Peder- und Massenbelastung auch weiterhin an den Stützhebeln 11 an, d„h. sie folgen deren Bewegungsbahn und verriegeln sie in ihrer Endlage. Die Verriegelung ist erforderlich, weil der Stützhebel 11 allein den Kristall 32 nicht seIbsthemmend spannt. Hierzu wären sehr genaue Endlagen des Hebelwinkels erforderlich, die auch wegen eventueller DurchmesserSchwankungen des Kristalls nicht realisierbar sind· Das Hebelsystera und damit auch die Stützhebel 11 wären so frei beweglich und die Stützhebel würden nicht als solche wirken, sonde'rn jede 'Taumelbewegung des Kristalls mitmachen.

Es ist zweckmäßig, kurze Zeit nach der Verriegelung der radialen Stütahebel 11 das Rohr 2 mittels des Doppelkeils 27. an der Zeihspindel 1 zu arretieren. Dadurch kann beim Bruch des Dünnhalses eine Havarie vermieden werden. Wäre nämlich bei einem solchen Bruch der Kristall schon schwerer als die Gewichte 13, würde der Kristall nach unten sinken und die nicht dargestellte flüssige Zone würde auseinandergerissen und auslaufen«

Claims (8)

23Ό]72 Erfindungsanspruch

1. Vorrichtung zum Abstützen des Kristalls beim tiegelfreien Zonenschmelzen, mit einem schwimmenden Stützring für die axiale Stützung des stabf ö'rmigen Kristalls, mit einem Rohr, das koaxial auf der Ziehspindel gelagert ist und mit dem der Stützring verbunden ist und das mit der Ziehspindel synchron rotiert, sowie mit drei Stützhebeln zur radialen Stützung des Kristalls, die ebenfalls mit dem genannten Rohr verbunden sind, gekennzeichnet dadurch, daß am oberen Ende des Rohres (2) ein Ring (5) befestigt ist, an dessen äußerem Rand auf seiner Unterseite den Stützhebeln (11) zugeordnete zweiarmige Hebel (9) angelenkt sind, wobei der dem Rohr (2) zugewandte Hebelarm der zweiarmigen Hebel (9) und der dem Kristall (32) zugewandte Teil der Stützhebel (11) mit einer Koppelstange (24) verbunden sind, und wobei über dem anderen Ende des zweiarmigen Hebels (9) ein Anschlag (23) angeordnet ist, daß dem Ring (5) ein oberer Anschlag (15) zugeordnet ist, daß verschiebbare, den Ring (5) gegen den oberen Anschlag (15) ziehende Massen angeordnet sind und daß den Stützhebeln (11) drehmomentenbelastete Sperrexzenter (25) zur Verriegelung der Stützhebel (11) in der Stützstellung zugeordnet sind.

2. Anordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die den Ring (5) gegen den oberen Anschlag (15) ziehenden Massen in drei Führungsrohren (20) angeordnet sind und mit Hilfe von Bändern, z.Bo aus Stahl, über Umlenkrollen (16) am Ring (5) befestigt sind, daß die Führungsröhre (20) unten starr mit einer Grundplatte (19) verbunden sind, die ihrerseits koaxial zur Ziehspindel angeordnet ist, und daß die Pührungsrohre (20) oben durch einen Anschlagring (21) untereinander verbunden sind·

3« Anordnung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Baugruppen zur axialen und radialen Stützung des Kristalls (32) auf einem Stützkäfig (12) angeordnet sind, der aus dem Ring (5) mit dem zweiarmigen Hebel (9) und zwei im Abstand

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voneinander über dem Hing (5) koaxial angeordneten weiteren Ringen (7,8) "besteht, wobei alle Ringe an ihrem äußeren Rand durch Verbindungss'täbe (6) verbunden sind, daß auf dem mittleren Ring (7) die schwimmende Stützringanordnung (10) zur axialen Stützung angeordnet ist und daß auf dem oberen Ring (8) die Stützhebel (11) für die radiale Stützung sowie die zugehörigen Sperrexzenter (25) angeordnet sind.

4. Anordnung nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch,

daß die Sperrexzenter (25) eine Kurvenform aufweisen, die zur Unterstützung der Stellbewegung der Stützhebel zu Beginn ihrer Bewegung in einem Bereich als Hebel mit Radien in den Berührungspunkten mit den Stützhebeln ausgeführt sind und in einem anschließenden Bereich, der kurz vor der Verriegelung der Stützhebel wirksam wird, als selbsthemmende Xxzenterkurven ausgeführt sind.

5. Anordnung nach Punkt 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Lagerungen der vorzugsweise aus austenitischem Stahl bestehenden Wellen für die Stützhebel (11) und die Sperrexzenter (25) aus Buchsen aus PTPE oder nachverdichteter reiner Kohle bestehen.

6. Anordnung nach Punkt 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Gleitbahnen der Sperrexzenter (25) mit temperaturfestem Material mit günstigem Reibverhalten beschichtet sind.

7. Anordnung nach Punkt 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Stützhebel (11) als Keramikstifte ausgeführt sind, die in' einer Halterung in ihrer Achsrichtung verstellbar sind.

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8. Anordnung nach Punkt 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß innerhalb der Ziehspindel(1) eine Vorrichtung zur Arretierung des Rohres (2) gegenüber der Ziehspindel (1) angeordnet ist, die einen nach unten verjüngten Doppelkeil (27) hat, dessen Keilflächen Spannbacken (29) augeordnet sind, die in der Wandung der Ziehspindel (1) geführt sind und gegen die Innenwandung des Rohres (2) andrückbar sind, wobei zwischen den Keilflächen und den Spannbacken Nadellager angeordnet sind»

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