DD159649A1

DD159649A1 - Stuetzvorrichtung fuer kristalle beim tiegelfreien zonenschmelzen

Info

Publication number: DD159649A1
Application number: DD23079081A
Authority: DD
Inventors: Karlheinz Trompa; Horst Fischer
Original assignee: Karlheinz Trompa; Horst Fischer
Priority date: 1981-06-15
Filing date: 1981-06-15
Publication date: 1983-03-23

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Züchtung von Einkristallen in Stabform. Ziel der Erfindung ist die Erhöhung der Materialausbeute beim tiegelfreien Zonenschmelzen von Kristallen großer Masse und Länge auf einem Dünnhals. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ruckfreies. Anfahren und Antasten der axialen Stützvorrichtung zu gewährleisten sowie eine axiale Kristallverlagerung zu vermeiden. Erfindungsgemäß wird das mit einer Vorrichtung erreicht, bei der die Anfahrbewegung der Stützvorrichtung von dem Antastvorgang getrennt ist und bei der die Anfahrkraft zur Verriegelung der Stützvorrichtung ausgenutzt wird. Fig. 1

Description

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Stützvorrichtung für Kristalle beim tiegelfreien Zonenschmelzen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist vorwiegend für die axiale Stützung von Halbleiterkristallen in Stabform auf einem DUnnhals anwendbar, wenn die Masse und die Länge des Stabes so groß v/erden, daß die Gefahr des Brechens des Dünnhalses besteht_e

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur axialen Stützung sind Vorrichtungen bekannt, die mit Stützelementen versehen sind und die durch eine zur Ziehspindel koaxiale Bewegung in die Nähe des zu stützenden Kristalls gebracht werden. Danach werden die Stützelemente gegen den Stabkonus geschwenkt und in der Stützstellung arretiert (DE-OS 2 626 311, .2 626 377). Diese Vorrichtungen haben den Nachteil, daß duroh das Heranschwenken der Stützelemente ah den Konus Biege- und Torsionsmomente am DUnnhals auftreten. Weiterhin kann die Einstellung wegen der Reibung zwischen den Stützelementen und dem Kristall sowie im Stellgetriebe nicht genügend feinfühlig vorgenommen werden, wodurch der Dünnhals ebenfalls beansprucht wird» Diese genannten Beanspruchungen können zum Bruch des pünnhalses führen» Diese Mangel sind prinzipiell auch bei "einer Anordnung vorh anden, bei der radial bewegliche Hebel bzw. am Ziehspindelumfang verteilte Schrauben gegen den Konus gespannt werden (DE-OS 2 548 050).

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Es ist auch bekannt, zur axialen Stützung einen Ring von unten koaxial an den Konus des Kristalls zu fahren (DE-OS 2 652 199, 2 853 415). Hierbei ist die Biegebelastung je nach Wahl des den Kristall antastenden Ringes geringer. Nachteilig ist aber, daß die Ringe wegen ihrer starren Lagerung den Konus nicht mit der notwendigen Feinfühligkeit,antasten können. Bei der Vorrichtung der DE-OS 2 652 199.kommt als weiterer Nachteil hinzu, daß die Gestänge zur axialen Verschiebung des Ringes die Peinfühligkeit dea Antaatens!noch weiter verschlechtern, da sie durch gummielastische Dichtungen geführt werden, die einen Stick-Slip-Effekt verursachen» Besonders ungünstig wirkt sich das auf die Gestaltung der Gestänge und auf ihr Verhalten bei langen Ziehstangen aus, die langer als 1,5 m sind.

Bei Verwendung einer solchen Anordnung können während des Antastens Impulse der Vorrichtung, die durch den Stick-Slip-Effekt hervorgerufen werden, auf den Kristall übertragen werden und zum Auslaufen der Schmelze führen. Außerdem kann bei diesen bekannten Vorrichtungen mit Stützring bei Stützbeginn die Stützkraft die zu diesem Zeitpunkt vorhandene Kristallmasse wesentlich übersteigen, da weder die Stützkraft noch die Kristallmasse gemessen werden können. Das kann aber zu einer Havarie infolge der axialen Verlagerung des Kristalls führen. Die Ursache hierfür ist darin zu sehen, daß infolge der Erhitzung und nachfolgenden Abkühlung des Kristallhalters während der Herstellung des Dünnhalses und des Konus eine Lockerung der Einspannung des Keimes in der Fassung erfolgt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Erhöhung der Materialausbeute beim tiegelfreien' Zonenschmelzen von Kristallen großer Masse und Länge auf einem Dünnhals.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ruckfreies

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Anfahren und Antasten der axialen Stützvorrichtung zu gewährleisten sowie eine axiale Kristallverlagerung zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird das "bei einer Vorrichtung mit einer unteren Ziehspindel, an der die untere Kristallhalterung für den Impfkeim befestigt ist, und mit einem Stützring für die vorwiegend axiale Stützung des Kristalls im konischen Übergangsbereich vom Dünnhals zum Kristall mit konstantem Du rchmesser dadurch erreicht, daß am oberen Ende der unteren Ziehspindel ein in diese hineinragendes und dort befestigtes Trägerrohr für die untere Kristallhalterung angeordnet ist, daß eine hydraulisch in axialer Richtung verschiebbare Stützanordnung mit einem rohrförmigen Antast-Bremselement angeordnet ist, das an seinem oberen Ende den Stützring trägt, wobei zwischen dem Antast-Bremselement und dem hydraulischen Antrieb ein elastisches Glied vorhanden ist, daß das Antast-Bremselement von einer Rohrführung umgeben ist, die fest mit dem hydraulischen Antrieb verbunden ist, und daß zwischen dem Antast-Bremselement und der Rohrführung verschiebbare, das Antast-Bremselement bei relativer Aufwärtsbewegung der Rohrführung mit dieser, mit der Ziehspindel und mit dem Trägerrohr verbindende Klemmkörper angeordnet sind.

Als hydraulischer Antrieb kann ein Ringkolben mit einem oberen und einem unteren Kolben angeordnet sein, wobei der Außendurchmesser des oberen Kolbens kleiner als der des unteren Kolbens ist, wobei im unteren Kolben Bohrungen für den Durchfluß der Kühlflüssigkeit vorhanden sind.

Zu r Kopplung des Antast-Breraselementes mit der Rohrführung hat das Antast-Bremselement einen kegelstumpfförmigen Abschnitt, der den Klemmkörpern zugeordnet ist, wobei der Kegeldurchmesser nach,oben zunimmt, und radial verlaufende Längsschlitze hat. Als Klemmkörper sind zweckmäßig Kugeln vorzusehen_o

Als elastisches Glied zwischen dem Antast-Bremselement und dem Ringkolben kann eine Sehraubendruckfeder angeordnet sein.

Bei dieser Anordnung fließt die Kühlflüssigkeit zunächst oben in den Ringkolben hinein und durch die Bohrungen im unteren Ring aus dem Ringkolben heraus» Die Kühlflüssigkeit fließt

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dann über das Trägerrohr ab. Bei dieser Durchflußrichtung befindet sich der Ringkolben in einer unteren Stellung und die Stützanordnung befindet sich ebenfalls in einer unteren Ausgangslage·

Wenn die Stützung des Kristalls erforderlich wird, muß die Strömungsrichtung des Kühlmittels umgekehrt werden, d.h. das Kühlmittel tritt durch das Trägerrohr ein und durchströmt den Ringkolben von unten. Infolge der großen unteren Kolbenfläche und der entsprechenden Dimensionierung der Bohrungen im Ringkolben wird dadurch der Kolben nach oben gedrückt. Dabei wird sowohl die Stützvorrichtung als auch die Rohrführung nach oben geschoben. Sobald der Stützring am Kristall anliegt, wobei das Antasten wegen der Schraubendruckfeder zwischen dem Ringkolben und dem Antast-Bremselement sehr weich erfolgt, wird die axiale Aufwärtsbewegung der Stützanordnung infolge des auf den Stützring wirkenden Kristallgewichts beendet. Der Ringkolben kann sich aber wegen der federelastischen Kopplung zwischen diesem und dem Antast-Bremselement weiter nach oben bewegen, wobei sich die mit dem Ringkolben starr gekoppelte Rohrführung ebenfalls weiterhin mit nach oben bewegt. Infolge der dadurch auftretenden aufwärts gerichteten Relativbewegu ng zwischen der Rohrführung und dem Antast-Bremselement werden die Kugeln zwischen beiden mit nach oben bewegt. Dabei baut sich eine Querkraft auf, die infolge des Reibbelages und der Federelastizität der durch die Längsschlitze gebildeten Kegelsegmente zu einer Festbrejnsung, d.h. zu einer Kopplung der Rohrführung, des Antast-Bremselementes und des Trägerrohres führt. Damit ist eine wirksame Stützung des Kristalls erzielt worden.

Die Bewegung der Rohrführung endet bei Erreichen der Mindestquerkraft, deren zugehöriger Hydraulikdruck ein Überdruckventil öffnet.

Der Vorteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß ein weiches Antasten'des Kristalls erfolgt und die axiale Verlagerung verhindert wird, weil die Antast-Vorlast kleiner ist, als das im Antast- bzw. Stützzeifpunkt erreichte Kristallgewicht und weil die Anfahrbewegung von dem Antastvorgang unter Beibehaltung der Gleichsinnigkeit der koaxialen Bewegung und der Be-

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wegung relativ zum Kristall getrennt ist. Weiterhin wird bei dieser Vorrichtung die Anfahrkraft zur Verriegelung der Stützvorrichtung ausgenutzt.

Au sführungsbeispiel

Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden

Es zeigen:

Fig, 1 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Anordnung,

Fig. 2 einen Querscnitt dieser Anordnung.

Die Anordnung hat ein Trägerrohr 1, das koaxial zur Ziehspindel 2 angeordnet ist und in diese von oben hineinragt. Beide sind über ein zylindrisches Befestigungsteil 4 fest miteinander verbunden und bilden oberhalb des Befestigungsteiles 4 einen zylindrischen Ringraum 3. Im Bereich dieses zylindrischen Ringraumes 3 ist auf dem Trägerrohr 1 ein hydraulisch betätigbarer Ringkolben 5 angeordnet, der über eine Schraubendruckfeder 6 ein auf dem Trägerrohr 1 gelagertes rohrförmiges Antast-Bremselement 7 axial verschieben kann. Dem Antast-Bremselement 7-ist ein Festanschlag 8 zugeordnet, der Teil einer fest mit dem Ringkolben 5 verbundenen Rohrführu ng 9 ist. Das Antast-Bremselement 7 hat in seinem mittleren Bereich einen kegelstumpfförmigen Abschnitt 10, der Längsschlitze aufweist, die diesem Abschnitt eine radiale Federelastizität verleihen. In diesem Bereich ist die Innenwand des rohrförmigen Antast-Bremselementes 7 mit einem Reibbelag 11 versehen. Im Ringraum zwischen der Rohrführung 9 und dem kegelstumpfförmigen Abschnitt 10 sind Kugeln 12 angeordnet, die in der Ausgangslage der Stützvorrichtung zwanglos im Ringraum liegen, wobei ihre Ausgangslage durch eine weiche Druckfeder 13 und eine verschiebare Hülse 14 bestimmt wird. Auf dem oberen Stirnbund des Antast-Bremselementes 7 befindet sich ein an sich bekannter radial beweglicher Stützring 15 für die Stützung des Kristalls, Im Ruhezustand der Stützvorrichtung fließt ein Kühlmedium

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durch die doppelwandige Ziehspindel 2 und Bohrungen 16 in den Zylinderringraum 17 zwischen der Innenwand der Ziehspindel 2 und dem Ringkolben 5· Vom Zylinderringraum 17 fließt das Kühlmedium durch eine Drosselbohrung 18 im Ringkolben 5, der außen und innen mit Dichtelementen 19 versehen ist, in den Ringraum 3, durch eine Bohrung 20 in das doppelwandige Trägerrohr 1 und von dort weiter in eine Rückleitung,, In dieser Ströraungsrichtung nimmt der Ringkolben 5 eine unterste Lage ein und das Antast-Bremselement 7 liegt am Festanschlag 8 an.

Um den Stützring 15 an den zu stützenden Kristall heranzufahren, wird die Richtung des Ölstromes umgekehrt, wodurch der Ringkolben 5 nach oben verschoben wird, bis der Stützring 15 am Kristallkonus anliegt. Danach baut sich auf dem Stützring 15 das Kristallgewicht auf und dessen Aufwärtsbewegung wird beendet. Der Ringkolben 5 bewegt sich aber wegen der federelastischen Kopplung zwischen diesem und dem Antast-Bremselement 7 weiter nach oben, wobei die mit dem Ringkolben 5 starr gekoppelte Rohrführung 1 ebenfalls weiter nach oben bewegt wird. Wegen der dadurch auftretenden aufwärts gerichteten Relativbewegung zwischen dem Trägerrohr 1 und dem Antast-Bremselement 7 werden die Kugeln 12 zwischen beiden nach oben bewegt. Im kegelstumpfförmigen Abschnitt 10 baut sich dadurch eine Querkraft auf, die infolge des Reibbelages 11 und der Federelastizität der' durch die Längsschlitze im Abschnitt 10 gebildeten Kegelsegmente zu einer Kopplung der Ro hrführung 9, des Antast-Bremselementes 7 und des Trägerrohres 1 führt. Damit ist eine wirksame axiale Stützung des Kristalls gesichert.

Claims

230790 3 Erfindungßanspruch

1. Stützvorrichtung für Kristalle beim tiegelfreien Zonenschmelzen unter Verwendung einer unteren Ziehspindel,an der die untere Kristallhalterung für den Impfkeim befestigt ist, un d mit einem Stützring für die vorwiegend axiale Stützung des Kristalls im konischen Übergangsbereich vom Dünnhals zum Kristall mit konstantem Durchmesser, gekennzeichnet dadurch, daß am oberen Ende der unteren Ziehspindel (2) ein in diese hineinragendes und dort befestigtes Trägerrohr (1) für die untere Kristallhalterung¹ angeordnet ist, daß eine hydraulisch in axialer Richtung verschiebbare Stützanordnung mit einem rohrförmigen Antast-Bremselement (7) angeordnet ist, das an seinem oberen Ende den Stützring (15) trägt, wobei zwischen dem Antast-Bremselement (7) und dem hydraulischen Antrieb ein elastisches Glied vorhanden ist, daß das Antast-Bremselement (7) von einer Rohrführung (9) umgeben ist, die fest mit dem hydraulischen Antrieb verbunden ist, und daß zwischen dem Antast-Bremselement (7) und· der Rohrführung (9) verschiebbare, das Antast-Bremselement (7) bei relativer Aufwärtsbewegu ng der Rohrführung (9) mit dieser, mit der Ziehspindel (2) und mit dem Trägerrohr (1) verbindende Klemmkörper angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß als hydraulischer Antrieb ein Ringkolben (5) mit einem oberen und einem unteren Kolben angeordnet ist, wobei der Außendurchmesser des oberen Kolbens kleiner als der des unteren Kolbens ist und wobei im unteren Kolben Bohrungen für den Durchfluß der Kühlflüssigkeit vorhanden sind,

3. Vorrichtung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Antast-Bremselement (7) einen kegelstumpfförmigen Abschnitt (10) hat, der den Klemmkörp'ern zugeordnet ist, wobei der Kegeldurchmesser nach oben zunimmt, und radial verlaufende Längsschlitze hat«,

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4. Vorrichtung nach Punkt 1 bis 3» gekennzeichnet dadurch, daß als Klemmkörper Kugeln (12) vorgesehen sind.

5· Vorrichtung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß als elastisches Glied zwischen dem Antast-Bremselement (7) und demRingkolben (5) eine
Schraubendruckfeder (6) angeordnet ist.

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