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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Züchten Kristallen aus der Schmelze
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Eine
der gebräuchlichsten
Methoden, Kristalle aus der Schmelze zu züchten, ist das sog. Bridgman-Stockbarger-Verfahren. Bei diesem
wächst
der Kristall in einem Temperaturgradienten, in den der Tiegel eingebracht
ist, vertikal von unten nach oben. Man unterscheidet dabei zwei
grundsätzliche
Bauweisen: Entweder wird der Tiegel mit dem Kristallmaterial durch
einen räumlich
festen Temperaturgradienten aus einer Zone mit hoher Temperatur
in eine solche mit niedrigerer Temperatur abgesenkt oder der Tiegel
steht räumlich
fest, während
der Temperaturgradient mit Hilfe einer vertikalen Mehr-Zonen-Ofeneinrichtung über den
Tiegel hinweg nach oben verschoben wird. Die vorliegende Erfindung läßt sich
auf beide Ofenarten anwenden.
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Zur
Herstellung qualitativ hochwertiger Kristalle muß die Grenzfläche zwischen
Schmelze und Kristall mit sehr konstanter Geschwindigkeit von einigen
Millimetern pro Stunde nach oben verschoben werden. Diese Wachstumsgeschwindigkeit
bedarf einer ständigen
Kontrolle; die in diesem Zusammenhang bisher angewandten Verfahren
haben den schwerwiegenden Nachteil, daß sie das Kristallwachstum
stören.
Dies ist besonders schwerwiegend bei hochviskosen Fest-Flüssig-Übergangsgebieten, bei
denen Störungen
nur sehr langsam ausheilen.
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Eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art ist in der
EP 0 870 855 A1 beschrieben.
Bei dieser befindet sich auf dem Oberflächenspiegel der Schmelze ein
Schwimmer, der die Position eines mechanisch mit diesem gekoppelten
beheizten Kolbens so bestimmt, daß dieser Kolben sich stets
in der selben Entfernung von der Grenzfläche zwischen Schmelze und Kristall
befindet. Auf diese Weise soll der Temperaturgradient, der von dem
beheizten Kolben erzeugt wird, im Bereich der Grenzfläche konstant
gehalten werden. Eine Überwachung
des Kristallwachstums selbst ist auf diese Weise nicht möglich.
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Aus
der
DE 32 43 650 A1 ist
bekannt, daß Schwimmer
zur Messung der Position von Schmelzen geeignet sind, indem an einer
Stange ein Linearmeßsystem
angeordnet wird, das ein elektrisches Signal erzeugt.
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Der
DE 197 41 307 A1 ist
zu entnehmen, daß bei
einer Kristallisation, bei welcher sich die Lage der Grenzfläche mit
zunehmender Kristallisation ändert, die
genaue Lage und ihre Zeitabhängigkeit
von Bedeutung sind und zur Steuerung herangezogen werden können.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art so auszugestalten, daß, ohne das Kristallwachstum
zu stören,
eine Kontrolle des Verlaufs des Kristallwachstums und ggf. ein korrigierender
Eingriff möglich
sind.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
in Anspruch 1 angegebene Vorrichtung gelöst.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird also der auf dem Oberflächenspiegel
der Schmelze aufliegende Schwimmer dazu genutzt, elektrische Signale
zu erzeugen, die einer kontinuierlichen Auswertung zugänglich sind.
Dabei wird von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, daß sich aus
dem zeitlichen Verlauf der Position der Grenzfläche Informationen darüber gewinnen
lassen, ob das Kristallwachstum in der gewünschten Weise voranschreitet.
Die Form der Meßkurve,
welche die momentane Position der Grenzfläche als Funktion der Zeit darstellt,
enthält eine
Vielzahl von Hinweisen auf den Kristallbildungsvorgang, die ausgewertet
werden können.
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Da
die Atmosphäre
innerhalb des gasdichten Behälters
eine andere ist als in der Umgebung, beispielsweise Vakuum oder
auch Schutzgas, umfaßt der
Meßwandler
ein gemeinsam mit dem Schwimmer bewegliches Teil, welches in einer
aus dem gasdichten Behälter
herausgeführten,
mit diesem dicht verbundenen Umhüllung
angeordnet ist, deren Innenraum mit dem Innenraum des Behälters kommuniziert,
wobei das gemeinsam mit dem Schwimmer bewegliche Teil berührungslos
mit einem außerhalb
der Umhüllung
befindlichen Teil des Meßwandlers
wechselwirkt. Die Umhüllung
sorgt dabei für
die Atmosphärentrennung
zwischen dem Innen- und dem Außenraum
des gasdichten Behälters.
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Der
Meßwandler
umfaßt
ein periodisch magnetisiertes Kunstoffband und einen mit diesem
zusammenwirkenden Magnetfeldsensor. Derartige Kunststoffbänder sind
handelsüblich
erhältlich
und weisen eine hohe Positionsgenauigkeit auf. Der Magnetfeldsensor
ist bevorzugt eine Hall-Sonde.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der außerhalb der Umhüllung befindliche
Teil des Meßwandlers
vertikal beweglich ist. Damit hat es folgende Bewandtnis: Die vom
Meßwandler
direkt erfaßte
Größe setzt sich
bei Vorrichtungen mit bewegtem Tiegel aus zwei Anteilen zusammen,
nämlich
der Vertikal verschiebung des Tiegels sowie der Vertikalverschiebung
der Schmelzenoberfläche
im Tiegel beim Kristallisierungsvorgang, die Folge einer Volumenveränderung ist.
Interessant für
die Auswertung ist im allgemeinen nur der zweite dieser beiden Anteile.
Die Vertikalverschiebung des Tiegels läßt sich mechanisch aus dem Ausgangssignal
des Meßwandlers
dadurch entfernen, daß der
außerhalb
der Umhüllung
befindliche Teil des Meßwandlers
mit der selben Geschwindigkeit bewegt wird wie der Tiegel. Das vom
Meßwandler
erzeugte Signal steht dann unmittelbar für die Verschiebung der Schmelzenoberfläche bzw.
der Fest-Flüssig-Phasengrenze
relativ zum Tiegel.
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Alternativ
kann hierzu eine Vorrichtung eingesetzt werden, bei welcher die
Auswertelektronik so ausgebildet ist, daß sie von einem Ausgangssignal des
Meßwandlers,
welche die Gesamtverschiebung des Schwimmers repräsentiert,
ein Signal abzieht, welches der Relativverschiebung zwischen Tiegel und
Ofeneinrichtung entspricht.
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Besonders
aussagekräftige
Informationen liefert diejenige Ausführungsform der Erfindung, bei welcher
die Auswertelektronik die Steigung des Diagramms ermittelt, in welchem
die Verschiebung der Grenzfläche
als Funktion der Zeit dargestellt ist, und die Ist-Steigung mit
einer Soll-Steigung
vergleicht. Diese Ausführungsform
der Erfindung macht von der Erkenntnis Gebrauch, daß die Steigung
des fraglichen Diagramms im wesentlichen von zwei Faktoren abhängt: Der
erste Faktor ist selbstverständlich
das Kristallmaterial, das gerade verarbeitet wird. Für dieses
läßt sich
in Vorversuchen eine optimale Steigung dieses Diagramms ermitteln,
die dann als Sollwert für die
nachfolgenden Kristallzüchtungen
zur Verfügung steht.
Der zweite Faktor, der die Steigung in dem Diagramm beeinflußt, ist
die Form der Grenzfläche
zwischen Schmelze und Kristall. Diese sollte möglichst planar sein. Unerwünscht sind
meniskus- oder kegelförmige
Grenzflächen.
Eine Abweichung der Grenzfläche
von der idealen, planaren Form ist dadurch erkennbar, daß die Steigung
im Verschiebungs-Zeitdiagramm von dem abgespeicherten Sollwert abweicht, daß dieses
Diagramm also beispielsweise lineare Bereiche mit unterschiedlicher
Steigung besitzt.
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Besonders
bevorzugt wird eine Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher eine
Regeleinrichtung vorgesehen ist, welche nach dem von der Auswertelektronik
durchgeführten
Soll-Istwertvergleich mindestens
einen Betriebsparameter der Vorrichtung so ändert, daß der gewünschte Sollwert der Steigung beibehalten
wird. Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung ist es also nicht nur
möglich,
die Qualität
der Kristallbildung zu überwachen;
vielmehr ist es hier auch möglich,
sofort regelnd und korrigierend einzugreifen, wenn Abweichungen
vom idealen Kristallwachstum festgestellt werden, und durch geeignete Veränderung
der Betriebsparameter das gewünschte Kristallwachstum
wieder herbeizuführen.
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Die
Regeleinrichtung kann beispielsweise auf den Temperaturgradienten,
in dem sich die Grenzfläche
zwischen Kristall und Schmelze befindet, oder auch auf die Geschwindigkeit
der Relativbewegung zwischen Tiegel und Ofeneinrichtung einwirken.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es
zeigen
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1 schematisch
einen vertikalen Schnitt durch eine Vorrichtung zur Züchtung von
Kristallen;
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2 in
größerem Maßstab einen
Differential-Meßwandler,
der Teil der Vorrichtung von 1 ist;
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Figuren
Meßkurven,
die mit der Vorrichtung von 1 3 und 4 gewonnen
wurden.
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Die
in 1 gezeigte und nachfolgend beschriebene Vorrichtung
ist zur Züchtung
von Fluorid-Kristallen aus der Schmelze bestimmt. Sie umfaßt einen
Hochvakuum-Behälter 1,
dessen Innenraum von einer nicht dargestellten Pumpe evakuiert wird. Der
doppelwandige Mantel des Hochvakuum-Behälters 1 ist
wassergekühlt.
Innerhalb des Hochvakuum-Behälters 1 befindet
sich ein Hochtemperatur-Isolations mantel 2, der aus einem
auf Graphit basierenden Material (Graphitfilz, Graphit-Hartschaum) besteht.
Der Hochtemperatur-Isolationsmantel 2 seinerseits umgibt
eine Ofeneinrichtung mit einem oberen Hochtemperatur-Ofen 3 sowie
einem darunter angeordneten Niedertemperatur-Ofen 4. Die
Heizelemente dieser Öfen 3, 4 sind
nicht dargestellt.
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Im Übergangsbereich
zwischen dem Hochtemperatur-Ofen 3 und dem Niedertemperatur-Ofen 4 ist
ein Tiegel 5 vertikal beweglich angeordnet. Dieser umfaßt einen
unteren, fingerartigen Fortsatz 6, einen darüber liegenden
konischen Bereich 7 und einen zylindrischen Hauptteil 8.
Im fingerartigen Fortsatz 6 befindet sich ein Kristallkeim 9, über diesem der
aufgewachsene Kristall 10, der durch eine Grenzfläche 11 von
der darüber
liegenden Schmelze 12 getrennt ist.
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Der
Tiegel 5 ist in einer Halterung 13 gelagert, die
ihrerseits am Ende einer axial und damit vertikal beweglichen Stange 14 auf-
und abbewegbar ist. Die Stange 14 ist durch eine Öffnung 15 des
Hochtemperatur-Isolationsmantels 4 und – abgedichtet – eine Öffnung 16 des
Hochvakuum-Behälters 1 nach unten
ausgeführt
und dort mit einer nicht dargestellten Hubvorrichtung verbunden.
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Bei
der Züchtung
befindet sich die Grenzfläche 11 in
der Temperaturgradienten-Zone zwischen den beiden Öfen 3 und 4.
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Auf
dem von der Schmelze 12 gebildeten Oberflächenspiegel
liegt eine Schwimmerplatte 17 auf. Diese ist mit ihren
Rändern
von der Innenwandung des Tiegels 5 geführt und bewegt sich entsprechend
dem Stand der Schmelze 12 innerhalb des Tiegels 5 auf
und ab. Diese Auf- und Abbewegung der Schwimmerplatte 17 wird über einen
Stab 18 übertragen, der
durch eine Öffnung 19 im
Deckel 20 des Tiegels 5, eine Öffnung 21 im Hochtemperatur-Ofen 3,
eine Öffnung 22 in
der Hochtemperatur-Isolierung 2 sowie – abgedichtet – eine Öffnung 23 des
Hochvakuum-Behälters 1 nach
oben ausgeführt
ist. Der in der heißen
Ofenzone befindliche Bereich des Stabs 18 besteht aus Graphit;
außerhalb der
heißen
Zone geht das Material des Stabs 18 in Wolfram über.
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Bei
größeren Tiegeln 5 kann
auch der in der Öffnung 19 des
Deckels 20 des Tiegels 5 gleitende Stab 18 statt
oder zusätzlich
zu den Tiegelwänden die
Führung
der Schwimmerplatte 17 besorgen.
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Das
obere Ende des Stabs 18 ist mit einem Differential-Meßwandler 24 verbunden,
der in 2 in größerem Maßstab dargestellt
ist. Auf diese Figur wird nunmehr Bezug genommen.
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Der
Differential-Meßwandler 24 umfaßt ein Vierkantrohr 25,
welches in hier nicht näher
dargestellter Weise auf der Wandung des Hochvakuum-Behälters 1 vakuumdicht
aufgeflanscht ist, über welche
es nach oben übersteht.
Im Innenraum des Vierkantrohrs 25 befindet sich daher die
selbe Atmosphäre
(Vakuum oder Schutzgas) wie im Innenraum des Hochvakuum-Behälters 1.
In dieses Vierkantrohr 25 ist ein Graphithalter 26 mit
rechteckigem Querschnitt eingepaßt und vertikal leichtgängig verschiebbar
geführt.
An einer Seitenfläche
des Graphithalters 26 ist ein periodisch magnetisiertes Kunststoffband 27 eingelassen.
Das untere Ende des Graphithalters 26 liegt auf der oberen
Stirnfläche
des Stabs 18 auf. Der Graphithalter 26 und das
an ihm befestigte magnetisierte Kunststoffband 27 bewegen sich
also mit dem Oberflächenspiegel
der innerhalb des Tiegels 5 befindlichen Schmelze.
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Das
Vierkantrohr 25, das aus unmagnetischem Material besteht,
ist durch einen vertikal verlaufenden Vierkantschlitz 29 einer
Sensorkopfhalterung 30 hindurchgeführt. Die Sensorkopfhalterung 30 enthält den eigentlichen
Sensorkopf, z. B. eine Hall-Sonde 31, der in Abstand von
weniger als 1 mm von dem magnetisierten Kunststoffband 27 geführt wird.
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Durch
eine vertikal verlaufende Gewindebohrung 32 der Sensorkopfhalterung 30 ist
eine Präzisions-Gewindestange 33 hindurchgeführt. Das
untere Ende der Präzisions-Gewindestange 33 ist
mit einem Schrittmotor 34 verbunden; das obere Ende der
Präzisions-Gewindestange 33 ist
in einem Ausleger 35 gelagert, der am oberen Ende des Rohrs 25 befestigt
ist. Die Anordnung ist offensichtlich so, daß durch Verdrehen der Präzisions-Gewindestange 33 mit
Hilfe des Schrittmotors 34 die Sensorkopfhalterung 30 vertikal
gegenüber
dem Vierkantrohr 25 verschiebbar ist.
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Die
Verschiebung des mit der Schwimmerplatte 17 gekoppelten
magnetisierten Kunststoffbands 27 setzt sich aus zwei Anteilen
zusammen: Zum einen enthält
sie die Vertikalverschiebung, welche der Tiegel 5 mit Hilfe
des Stabs 14 erfährt.
Zum anderen reflektiert die Bewegung des Kunststoffbands 27 die
eigentlich interessierende Vertikalverschiebung der Grenzfläche 11 im
Tiegel beim Kristallisieren. Der erste dieser beiden Anteile wird
mechanisch dadurch kompensiert, daß mit Hilfe des Schrittmotors 34 die
Sensorkopfhalterung 30 synchron und mit gleicher Geschwindigkeit
bewegt wird wie der Tiegel 5.
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Das
Ausgangssignal des Hall-Sensors 31 wird einer nicht dargestellten
Auswertelektronik zugeführt,
deren Ausgangs signal unter den geschilderten Umständen direkt
proportional der Verschiebung der Grenzfläche 11 ist.
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In 3 ist
eine derartige Meßkurve
dargestellt, welche für
das hochschmelzende Material LaF3 mit einer
Schmelztemperatur von 1493°C
aufgenommen wurde. Auf der Ordinate ist die Verschiebung der Schmelzenoberfläche, auf
der Abszisse die Zeit bei konstanter Absenkgeschwindigkeit des Tiegels 5 aufgetragen.
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In
der Meßkurve
der 3 lassen sich deutlich vier Bereiche unterscheiden:
Der
mit A gekennzeichnete Kurvenbereich entspricht demjenigen Zeitraum
der Kristallzüchtung,
in welchem sich die Grenzfläche 11 zwischen
Schmelze 12 und aufgewachsenem Kristall 10 in
dem konischen Bereich 7 des Tiegels 5 befindet.
Hier ist die bezüglich
der Verschiebung des Tiegels 5 korrigierte Schwimmerverschiebung
proportional zur dritten Potenz der Wachstumshöhe des Kristalls, d. h., bei
konstanter Absenkgeschwindigkeit des Tiegels 5, proportional
zur dritten Potenz der Zeit. Im Bereich B der Meßkurve dagegen liegt die Grenzfläche 11 zwischen
Schmelze 12 und aufgewachsenem Kristall 10 in
dem zylindrischen Hauptbereich 8 des Tiegels 5. Hier
besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der korrigierten Schwimmerverschiebung
und der Zeit. Im Bereich C der Meßkurve ist das Kristallwachstum
beendet. Der Tiegel 5 wird weiter in den Niedertemperatur-Ofen 4 gefahren:
Der geradlinige Bereich C hat aufgrund der thermischen Kontraktion des
Kristalls eine geringfügige
Steigung. Im Bereich D der Meßkurve
schließlich
ist die Absenkung des Kristalls abgeschaltet; der Sensorkopf 31 jedoch fährt weiter
mit der voreingestellten Kristall-Absenkgeschwindigkeit.
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4 zeigt
eine weitere Meßkurve,
die für das
niedrig schmelzende Material LiF (Schmelztemperatur 848°C) aufgenommen
wurde. Es lassen sich fünf
Bereiche dieser Meßkurve
unterscheiden: Der Bereich A entspricht wiederum dem Zeitraum, in
welchem sich die Grenzfläche 11 zwischen
der Schmelze 12 und dem aufgewachsenen Kristall 10 im
konischen Bereich 7 des Tiegels 5 befindet. Man
spricht hier auch von "Kegelwachstum". Der Bereich B1 spiegelt
eine lineare Abhängigkeit
der korrigierten Schwimmerverschiebung mit der Zeit wieder und zwar
mit einer ersten Steigung. Dieser Bereich B1 gehört zu einem Zeitraum, in dem
sich die Grenzfläche 11 zwischen
Schmelze 12 und Kristall 10 im zylindrischen Hauptbereich 8 des
Tiegels 5 befindet. Man spricht hier auch von "Zylinderwachstum". Auch der Kurvenbereich
B2 entspricht einem Zylinderwachstum des Kristalls. Das Auftretene
einer vom Bereich B1 abweichenden Steigung im Kurvenbereich B2 signalisiert
jedoch, daß die
Form der Grenzfläche 11 sich
geändert
hat: Aus der gewünschten, ebenen
Grenzfläche 11 ist
eine unerwünschte,
kegelförmige
Grenzfläche 11 entstanden,
was auf eine ungünstige
Geometrie des Ofens hinweist.
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Der
Bereich C entspricht erneut derjenigen Zeit, in welcher das Kristallwachstum
abgeschlossen ist und der Kristall weiter in kühlere Ofenbereiche fährt: Die
Steigung der Meßgeraden
ist durch die thermische Kontraktion des Kristalls bedingt. Im Bereich
D schließlich
ist wieder die Absenkung des Kristalls abgeschaltet und der Sensorkopf 31 fährt mit
der voreingestellten Kristall-Absenkgeschwindigkeit
weiter.
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Der
Differential-Meßwandler 24 in 1 mit der
zugehörigen
Verarbeitungselektronik läßt sich also
insbesondere in folgender Weise zu Kontrolle und zur Steuerung des
Kristallwachstums einsetzen:
In vorab durchgeführten Experimenten
wird für
die Materialien, aus denen in der Vorrichtung Kristalle gezüchtet werden
sollen, das ideale Volumen-Kontraktionsverhältnis ermittelt. Damit ist
auch die Steigung bekannt, welche beim Züchten eines neuen Kristalls
aus diesem Material im linearen Bereich B der Meßkurve entsprechend den 3 und 4 eintreten
sollte. Beim Züchten
eines neuen Kristalls wird daher der ggf. in der Auswertelektronik
eingespeicherte Soll-Wert für
die Steigung des Bereichs B mit dem in der Messung tatsächlich ermittelten
Wert der Steigung in diesem Bereich B verglichen.
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Beispielsweise
kann der gemessene Wert von dem voreingestellten Wert abgezogen
werden, so daß eine
Sichtanzeige "0" entsteht, wenn zwischen
dem Soll-Wert und dem Ist-Wert
der Steigung keine Differenz vorliegt. Solange der Kristall mit
konstanter Geschwindigkeit wächst,
bleibt die Differenz im wesentlichen 0. Treten jedoch Abweichungen
auf, können
diese zur automatischen oder manuellen Nachregelung der Vorrichtung
genutzt werden. Beispielsweise kann bei Mehrzonenöfen die
Verschiebungsgeschwindigkeit des Temperaturgradienten nachgeregelt
werden; bei Vorrichtungen mit nur zwei Temperaturzonen, wie beim
oben beschriebenen Ausführungsbeispiel,
kann die Temperatur eines der beiden Öfen 3, 4 nachgeregelt
werden, bis wieder die gewünschte
Steigung in der Meßkurve
und ggf. die Sichtanzeige "0" erreicht ist.