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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Kristallen
aus leitfähigen
Schmelzen.
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In
der heutigen Zeit gewinnen neben der weiteren Optimierung der Kristallperfektion
wirtschaftliche Aspekte zunehmend an Bedeutung. Mit dem für eine Durchsatzerhöhung und
Kostensenkung notwendigen Zuwachs der Kristalldimensionen, was Durchmesser
und Länge
der zu züchtenden
Kristalle betrifft, vergrößern sich
die dafür
benötigten
Kristallzüchtungsanordnungen.
Speziell bei den Kristallzüchtungsverfahren
in Tiegeln stellt sich neben der Frage nach dem physikalisch und
chemisch geeigneten Tiegelmaterial gegenüber der aufzuschmelzenden Substanz
die Aufgabe der Verringerung ungünstiger
Einflüsse
infolge Wechselwirkungen mit dem Tiegelmaterial sowie den thermischen
Vorgängen
in der Schmelze.
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Das
zentrale Problem, das es zu lösen
gilt, ist die Eindämmung
der mit wachsendem Schmelzvolumen drastisch zunehmenden thermischen
Auftriebskonvektion, deren Instationarität sich negativ auf die strukturellen
und physikalischen Eigenschaften der wachsenden Kristalle auswirkt.
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Als
wirksame technische Gegenmaßnahme
haben sich die Anwendung magnetischer Felder erwiesen. So können über die
Erzeugung von Lorentzkräften
Strömungsanteile
in elektrisch leitenden Schmelzen gedämpft oder verstärkt werden.
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In
der Kristallzüchtung
konzentrieren sich die Untersuchungen zunächst hauptsächlich auf stationäre Magnetfelder.
Um jedoch einen hinreichenden Felddurchgriff auf die Schmelze zu
erzielen, die in industriellen Züchtungsanlagen
von massiven Heizeranordnungen und großen wassergekühlten Metallrezipienten
umschlossen werden, mussten sehr starke externe Magnete verwendet
werden, deren Feldstärken
im Bereich zwischen 2 und 5 Tesla lagen. Derartige supraleitende
Magnetanordnungen erwiesen sich jedoch wegen ihrer großen Dimensionen
in Abmessung, Gewicht, Leistungsverbrauch, Kühlsystem und damit hauptsächlich im Preis
als unrentabel für
eine serienmäßigen Industrieeinsatz.
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Weit
flexibler und kostengünstiger
sind für
die Kristallzüchtung
zeitabhängige
Magnetfelder. Ihr entscheidender Vorteil besteht neben einem relativ
geringen technischen Aufwand auch in der um Größenordnungen reduzierten magnetischen
Flussdichte im Bereich von Milli-Tesla.
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So
wird z. B. ein rotierendes Magnetfeld durch ein Drehfeld in einer
einem Asynchronmotor ähnelnden Anordnung
erzeugt. Dabei wird der Schmelztiegel von einer Statorwicklung umgeben,
die aus den drei RST-Polsträngen
oder aus RST-Stranggruppen
bestehen kann. Ein solches Magnetfeld erzeugt eine azimutale Strömung um
die Tiegelachse und wird in erster Linie dazu verwendet, Rotationsmischungen
der Schmelze und damit ihre Homogenisierung zu erzeugen.
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Für Kristallzüchtungsexperimente
wurde bisher vorrangig diese Feldart angewendet, allerdings zumeist
für labormäßige Forschungszwecke.
So wurde erstmals von Hoshikawa et al. [Jpn. J. Appl. Phys. 19 (1980)
L33] eine kostengünstige
Kombination aus Heizer und Magnet erprobt. Dazu wurde ein zylindrischer Graphitheizer
in drei das gleiche Bogenmaß einnehmende
Heizsegmente mit identisch ausgerichteter Stromflussbahn aufgeteilt.
Diese wurden sodann über
eine Dreieckschaltung mit einem Dreiphasenwechselstrom gespeist.
Durch die Phasenverschiebung der Drehstromanteile entstand ein transversal
rotierendes Magnetfeld, welches in der elektrisch leitenden Schmelze
eine umlaufende Lorentzkraft erzeugte, die ihrerseits deren Rotation
ohne Tiegeldrehung bewirkte. Nachteiligerweise war der zur Erzeugung
der Schmelzrotation eingespeiste Strom nicht vom Stromkreis für die zur
Züchtung
erforderliche Wärmeerzeugung
entkoppelt, was dieses Prinzip in seiner Anwendbarkeit erheblich
einschränkte.
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Von
größerer Bedeutung
für die
Kristallzüchtung
hat sich die Erzeugung eines von oben nach unten oder umgekehrt
wanderndes Magnetfeldes erwiesen, dessen Kräfte der Auftriebsrichtung der
Schmelzkonvektion an der Tiegelwand entgegengerichtet sind. Ein
solches longitudinal wanderndes Magnetfeld wird durch übereinander
angeordnete Spulen um die Schmelzachse herum erzeugt, die folgerichtig
phasenverschoben angesteuert werden. Da das Wandermagnetfeld keinerlei
Kraftkomponenten in azimutaler Richtung erzeugt, ergibt sich auch
keine negative Beeinflussung der Strömung bei Tiegelrotation. Das
ist der große
Vorteil gegenüber
statischen Magnetfeldern. Eine solche Mode erwies sich als besonders
für die
Unterdrückung
der Konvektionsschwankungen in hohen Tiegeln und Schmelzcontainern
sowie für
die Optimierung der Form der Phasengrenze geeignet.
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Wandernde
Magnetfelder fanden bereits eine erfolgreiche Anwendung in der Produktion
von Siliziumkristallen [A. Krautze et al. J. Crystal Growth 265
(2004) 14]. Allerdings wurden dabei die drei drehstromversorgten
Magnetspulen außerhalb
der Züchtungskessel
angeordnet, wodurch eine erhöhte
Leistungseinkopplung notwendig wird.
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Im
Vergleich zum Silizium befinden sich die Entwicklungen zur Anwendung
instationärer
Magnetfelder bei der Züchtung
von Verbindungshalbleitern und anderen Materialien mit leitenden
Schmelzen noch in den Anfängen.
Wichtigste und bezüglich
des Magnetfeldes zugleich kritischste Besonderheit der Züchtung von Verbindungshalbleitern
gegenüber
Elementhalbleitern ist die notwendige Verwendung von Hochdruckkesseln mit
deutlich dickeren Wandstärken,
wodurch die Einkopplung eines extern erzeugten Magnetfeldes stark
reduziert wird. Deshalb ist für
die Züchtung
solcher Kristalle eine Implementierung einer Wanderfeldvariante
im Innern der Züchtungsautoklaven
und besonders die Kombination von Heizer- und Magnetfeldspulen von
Vorteil.
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Es
sind Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung kombinierter Heizflüsse und
instationärer
magnetischer Felder in der Kristallzüchtung bekannt. Bei den nachfolgend
beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen wird das Magnetfeld simultan
in einem mit Dreiphasenstrom versorgten Widerstandsheizer aus Graphit erzeugt.
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In
EP 0 247 297 B1 wird
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Züchtung eines Halbleiterkristalles nach
der Czochralski-Methode beschrieben, bei der eine variable Rotation
der Schmelze stattfindet. Hierbei wird eine solche Heizvariante
verwendet, die ausschließlich
transversal rotierende Felder produziert, um die Schmelze in Rotation
zu versetzen. Durch die getrennte Steuerbarkeit eines die Schmelztemperatur
erzeugenden Gleichstromes und aufmoduliertem Wechselstromes für die Magnetfeldinduktion
ist die Rotationsmode variierbar ohne dabei das für die Züchtung erforderliche
Temperaturfeld wesentlich zu beeinflussen. Allerdings kann hiermit
eine Kontrolle der Form der Phasengrenze durch Beeinflussung der
konvektiven Vertikalströme nicht
erreicht werden. Da desweiteren nur eine Dreieckschaltung für die drei
Heizsegmente verwendet wird, ist die Phasenverschiebung auf einen
festen Wert von 120° begrenzt.
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In
DE 101 02 126 A1 wird
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalles
aus Silizium beschrieben, bei der eine mit vorzugsweise drei Spulen
versehene Spulenanordnung verwendet wird, die an eine Drei-Phasen-Stromversorgung angeschlossen
ist und die sowohl als Heizeinrichtung als auch zur Erzeugung eines
Wandermagnetfeldes eingesetzt werden kann. Die Spulen werden mit
elektrischem Wechselstrom versorgt und können sowohl in Stern- als auch
in Dreieckschaltung angeschlossen sein, wobei diese wiederum eine
definierte Phasenlage aufweisen. Die Phasenlage wird in dieser Schrift
mit 0–60–120° oder 0–120–240° festgelegt.
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In
DE 103 49 339 A1 wird
eine Vorrichtung für
eine Kristallzüchtungsanlage
für die
Züchtung
von Halbleiter-Kristallen aus Schmelzen beschrieben, bei der die
gewählte
Spulenanordnung mindestens drei in axialer Richtung übereinander
angeordneter und miteinander gekoppelte Spulen umfasst. Die Spulenwindungen
sind gestuft ausgebildet. Die Spulen werden mit Wechselstrom beaufschlagt,
wobei die an einer Spule angelegte Wechselspannung gegenüber der
an der Nachbarspule angelegte Wechselspannung phasenverschoben ist. Die
Erzeugung eines magnetischen Wanderfeldes von oben nach unten oder
umgekehrt erfolgt innerhalb eines im Hochdruckkessel oder -containers
angeordneten Widerstandsheizers, indem der zur Beheizung notwendige
RST-Drehstrom in den drei übereinander
angeordneten Teilspulen zugleich ein longitudinal wanderndes Magnetfeld
erzeugt.
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Nachteilig
bei dieser Spulenanordnung ist, dass die Teilspulen keine ganzzahligen
Windungen aufweisen, was auf die gestufte Windungsgestaltung zurückzuführen ist.
Jedes Spulensegment besitzt hier 3 1/3 Windungen. Da die magnetische
Flussdichte und die damit zusammenhängende Volumenkraft proportional zum
Quadrat der Windungen ist, verstärken
sich die Volumenkraftunterschiede über den Spulenumfang. In Abhängigkeit
von der Winkellage treten sodann unterschiedliche Volumenkräfte in der
Schmelze auf, was Temperatur- und Materialtransportinhomogenitäten hervorrufen
kann.
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Die
Spulen werden in
DE
103 49 339 A1 zusätzlich
an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen, die zusätzlich zum
Wechselstrom einen Gleichstrom in den Spulen erzeugt, der wiederum
allein für
die Heizleistung verantwortlich ist. Wie bereits in
EP 0 247 297 B1 für rotierende
Magnetfelder dargestellt, erlaubt auch hier die kombinierte Ansteuerung
einer Gleichstromquelle die Einstellung eines bestimmten Verhältnisses
zwischen elektrischer Heizleistung und Amplitude des Wanderfeldes.
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Die
Spulen werden auch in
DE
103 49 339 A1 in Form einer Stern- oder Dreieckschaltung
miteinander verbunden, wobei diese entsprechend ihrer Schaltungsanordnung
an die Pole einer Drehstromquelle angeschlossen sind. In beiden
Konfigurationen fließen
in den drei Spulensegmenten drei um 120° phasenverschobenen Wechselströme.
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Mit
dieser Lösung
soll die Eindämmung
der natürlichen
Konvektionsflüsse,
ihrer Fluktuationen und die Kontrolle der Form der Phasengrenze
erreicht werden. Eine solche Anordnung erfordert in Dreieckschaltung drei
elektrische Hochdruckdurchführungen
durch die Kesselwandung und ist an eine 120°-Phasenverschiebung gebunden. Da die
einzelnen Teilspulen miteinander verkoppelt sind, ist es jedoch
bei einer solchen Schaltung nicht möglich, unterschiedliche Leistungen
zur Erzeugung eines Temperaturgradienten in die Spulensegmente einzuspeisen.
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Aus
Simulationsrechnungen in der Literatur folgt, dass die größten Volumenkräfte in der
Schmelze bei Phasenverschiebungen im Bereich von 60° bis 70° erreichbar
sind. Schaltungen, die an eine 120°-Phasenverschiebung gebunden
sind, erreichen dieses Maximum nicht.
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Nachteilig
in
DE 103 49 339 A1 ist
weiterhin, dass bei einer anderen gewünschten Phasenverschiebung,
wie z. B. bei 60°,
eine Sternschaltung erforderlich wird, wobei aufgrund der Unsymmetrie
der Sternpunkt über
eine zusätzlich
vierte Hochdruckdurchführung
angeschlossen werden muss.
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In
DE 21 07 646 wird eine Vorrichtung
zum Züchten
von Einkristallen aus der Schmelze beschrieben, bei der eine Widerstandsheizvorrichtung
sowohl zur Erzeugung von Wärme
für den
Schmelzvorgang als auch zur Erzeugung eines rotierenden magnetischen
Feldes für
die Rührbewegung
in der Schmelze verwendet wird.
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Der
hohlzylindrisch ausgebildete Heizer in
DE 21 07 646 enthält eine Mehrzahl von Schlitzen,
die spiralförmig
von oben nach unten ausgebildet sind, so dass der Heizer aus drei
nebeneinander spiralförmig
aufsteigenden (verdrillten) Spulen besteht, die am oberen Rand eine
gemeinsame Verbindung haben und somit eine Sternschaltung ergeben.
Da bei einer solchen Anordnung neben der angestrebten transversalen
Lorentzkrafterzeugung auch eine vertikale Komponente besteht, ist
ein longitudinaler Magnetfeldanteil ebenfalls zu berücksichtigen.
Jedoch sind diese Kräfte
zu gering für
Kristallzüchtungszwecke.
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Bei
vielen Kristallzüchtungsanlagen
werden die Heizer mit Drehstrom (drei mit RST bezeichnete Phasen)
versorgt und besitzen deshalb drei Heizeranschlüsse. Jedoch sind solche Heizeranordnungen
für die
Lösung
der Aufgabe nicht geeignet.
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Im
Unterschied zu Heizern, die mit Gleichstrom versorgt werden, erspart
man sich den Aufwand für die
Gleichrichtung des gelieferten dreiphasigen Wechselstromes. Die
Heizer sind gewöhnlich
zylindrisch und parallel zur Achse mäanderförmig geschlitzt, um eine verlängerte Strombahn
und einen erhöhten
Widerstand zu gewährleisten.
Bezüglich
der Erzeugung eines Magnetfeldes fließt jedoch der Strom ungünstigerweise wechselseitig
in Gegenrichtung pro Mäandersegment,
weshalb sich das um den Heizleiter entstehende magnetische Feld
aufhebt [vgl. D.T. J. Hurle, Handbook of Crystal Growth, Vol. 2a,
Elsevier, North-Holland 1994, 4, p. 112].
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Ausgehend
von den Mängeln
aus dem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine weitere Vorrichtung
der eingangsgenannten Art bereitzustellen, die im Gegensatz zum
bekannten Stand der Technik mit geringstem Aufwand ein solches magnetisches
Wanderfeld erzeugt, dessen Kraftlinien wahlweise toroidal von oben
nach unter oder von unten nach oben die Schmelze durchlaufen.
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Weiterhin
ist es Aufgabe der Erfindung, mit dieser Vorrichtung die Einstellung
einer Phasenverschiebung von 90° oder
beliebige weitere Phasenverschiebungen zu ermöglichen. Eine derartige Vorrichtung
soll zudem einfach handhabbar und in bestehende Züchtungsanlagen
ohne aufwendige Nachrüstung
und unter Nutzung der für
konventionelle Drehstromheizer vorhandene Kesseldurchführungen
einbaubar sein.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruches
1.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen
der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.
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So
ist erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Herstellung von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen,
mindestens aufweisend einen in einer Züchtungskammer angeordneten,
eine Schmelze enthaltenen Tiegel, eine den Tiegel umgebende Heizeinrichtung
und eine außerhalb
der Züchtungskammer
angeordnete Energieversorgungseinrichtung und weitere außerhalb
der Züchtungskammer
angeordnete und miteinander in Verbindung stehende Steuerelemente,
dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung als eine Mehrspulenanordnung
ausgeführt
ist, welche über
drei Anschlüsse
verfügt,
die durch die Züchtungskammer
geführt sind
und wobei die Mehrspulenanordnung an zwei außerhalb der Züchtungskammer
angeordneten und mit der Energieversorgungseinrichtung und den weiteren
Steuerelementen in Verbindung stehenden Leistungsmodulen angeschlossen
ist.
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In
einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen,
dass ein Leistungsmodul über
einen ersten Anschluss und einen dritten Anschluss, das zweite Leistungsmodul über einen
zweiten Anschluss und den dritten Anschluss mit den Spulen der Heizeinrichtung
verbunden sind, und wobei die Leistungsmodule mit einer Bezugsmasse
außerhalb
der Züchtungskammer
verbunden sind.
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In
einer nächsten
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist vorgesehen, dass die Mehrspulenanordnung aus einer beliebigen
Spulenanzahl von übereinander
angeordneten Spulen aufgebaut ist.
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Eine
weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor,
dass die Spulen stufenlose spiralförmig angeordnete Windungen
aufweisen.
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Eine
andere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch
gekennzeichnet, dass die Spulenwindungszahl einer Spule jeweils
ganzzahlig ist.
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In
einer nächsten
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist vorgesehen, dass die Spulen der Heizeinrichtung in Reihenschaltung
und/oder in Parallelschaltung miteinander verschaltet sind.
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Eine
weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch
gekennzeichnet, dass die weiteren außerhalb der Züchtungskammer
angeordneten Steuerelemente im Wesentlichen umfassen: Mittel zur
Ansteuerung der Leistungsmodule, Mittel zur Filterung von Frequenzen,
Mittel zur Erzeugung von Sinusspannungen, Mittel zur Erzeugung von
Phasenverschiebungen, Mittel zum Erfassen für Strom- und Spannungsmesswerte
und ein Mittel zur Überwachung
der Steuerungsvorgänge.
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Eine
nächste
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sieht vor, dass als Mittel zur Ansteuerung der Leistungsmodule ein
Pulsweitenmodulator vorgesehen ist; als Mittel zur Filterung von
Frequenzen ein Tiefpass vorgesehen ist; als Mittel zur Erzeugung
von Sinusspannungen ein Sinusgenerator vorgesehen ist; als Mittel
zur Erzeugung der Phasenverschiebungen ein Phasenschieber vorgesehen
ist; als Mittel zur Erfassung für
Strom- und Spannungsmesswerte eine Messeinrichtung vorgesehen ist
und als Mittel zur Überwachung
der Steuerungsvorgänge
eine Datenverarbeitungsanlage vorgesehen ist.
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In
einer nächsten
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist vorgesehen, dass ein Leistungsmodul mit dem Pulsweitenmodulator,
dem Sinusgenerator, dem Tiefpass, der Messeinrichtung und der Datenverarbeitungsanlage
verbunden ist und das andere Leistungsmodul mit dem weiteren Pulsweitenmodulator,
Phasenschieber, Tiefpass, Messeinrichtung und der Datenverarbeitungsanlage
verbunden ist.
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Schließlich ist
eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gekennzeichnet,
dass als Mittel zur Ansteuerung der Leistungsmodule lediglich eine
Datenverarbeitungsanlage vorgesehen ist, wobei ein Leistungsmodul
mit einem Tiefpass, einer Messeinrichtung und der Datenverarbeitungsanlage
in Verbindung steht und wobei das andere Leistungsmodul mit dem
weiteren Tiefpass, der Messeinrichtung und der Datenverarbeitungsanlage
verbunden ist.
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Bei
dieser Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Leistungsmodule direkt
von einer Datenverarbeitungsanlage mit einer speziellen Impulsfolge
angesteuert werden, so dass sich hinter den Tiefpässen die
Sinusspannungen mit den gewünschten
Phasenverschiebungen ergeben.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann in denjenigen Kristallzüchtungsanlagen
eingesetzt werden, die nach dem Czochralski-Verfahren, der vertikalen
Bridgman- bzw. Gradient-Freeze-Methode,
aber auch nach dem Kyropolus- und Heat-Exchanger-Verfahren arbeiten. Weiterhin
ist diese Vorrichtung – neben
der Züchtung
von Einkristallen – auch
zur Herstellung von polykristallinem Halbleitermaterial geeignet,
das z. B. als Ausgangsmaterial für
die Herstellung von Solarzellen dient.
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Mit
der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung,
die im Wesentlichen als eine Mehrspulenanordnung beliebiger Anzahl
Spulen ausgebildet ist, wird das Magnetfeld durch eine Phasenführung mit
Phasenverschiebungen zwischen zwei benachbarten Spulen von 90° homogen über den
gesamte Spulenumfang erzeugt.
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Eine
Sonderfall der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung
stellt eine Zweispulenanordnung dar, die sich vorteilhaft bei geringen
Schmelzhöhen
eignet, während
die Mehrspulenanordnung vorteilhaft bei höheren Schmelzhöhen eingesetzt
werden kann. Bei der Zweispulenanordnung wird die Einstellung beliebiger Phasenverschiebungen
erreicht, d. h., die Spulenanordnung ist weder an eine 90° noch an
eine starre 120°-Phasenverschiebung
gebunden. Daraus ergibt sich ein weiterer Vorteil, nämlich der,
dass unterschiedliche Heizleistungen in den Spulen eingespeist werden
können.
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Weiterhin
vorteilhaft ist die Anordnung von stufenlosen Windungen. Die Windungszahl
der Spulen bzw. jedes Spulensegmentes beträgt bei einer solchen Anordnung
jeweils eine ganze Zahl; die Windungszahl kann jedoch von Spule
zu Spule unterschiedlich sein. Mit der Verwendung von Spulen mit
ganzzahligen Windungszahlen wird erreicht, dass die Volumenkräfte in der
Schmelze gleichmäßiger auftreten.
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Die
erfindungsgemäße Lösung benötigt im
Gegensatz zum Stand der Technik lediglich zwei Leistungsmodule,
wodurch Kosten und Aufwand herabgesetzt werden. Außerdem ermöglicht eine
derartige Minimalkonfiguration durch gleichzeitiges Einspeisen von
wanderfeldunabhängigen
Stromkomponenten den Züchtungsprozess
zu steuern, ohne das Magnetfeld zu beeinflussen. Bei den wandermagnetfeldfeldunabhängigen Stromkomponenten
kann es sich um die Einspeisung von Gleichstrom oder Wechselstrom
mit einer anderen Frequenz als die zur Erzeugung des Magnetfeldes
handeln.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
kommt mit drei Durchführungen
durch den Züchtungsbehälter bzw. der
Züchtungskammer
aus. Dies ist besonders dann von Vorteil ist, wenn bereits vorhandene
Züchtungsanlagen,
wie z. B. in Produktion befindliche, mit drei vorhandenen Stromdurchführungen
für eine
Verwendung mit wanderndem Magnetfeld ohne größeren Aufwand und mit geringen
Kosten umgerüstet
werden sollen.
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Ein
wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass man
mit zwei Leistungsmodulen ein Wandermagnetfeld über große Schmelzhöhen erzeugen kann und dafür lediglich
drei Durchführungen
im Züchtungsbehälter benötigt, wobei
höhere
Volumenkräfte
erreichbar sind als bei der herkömmlichen
Verwendung mit Drehstrom. Ausgehend vom einem Kraftmaximum bei einem
Phasenwinkel zwischen 60° und
70° verringern
sich bei 90° die
Volumenkräfte
auf ca. 83%. Bei 120° (Drehstrom)
sind lediglich noch ca. 46 % der Volumenkräfte vorhanden.
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Die
Heizeinrichtung bestehend aus mehreren, mindestens zwei übereinander
angeordneten Spulen der Spulenanzahl n, mit n = 2, 3, ..., wird
lediglich von zwei Leistungsmodulen mit elektrischer Leistung versorgt.
Ein Leistungsmodul versorgt alternierend jede zweite Spule. Die
an einem Leistungsmodul angeschlossenen Spulen sind zur vorangegangenen
Spule jeweils umgekehrt gepolt. Durch diese Art der Verschaltung wird
erreicht, dass zwischen zwei benachbarten Spulen jeweils eine Phasenverschiebung
von 90° vorhanden ist.
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Beschreibt
man den „Standort" einer der mehreren übereinander
angeordneten Spulen der Heizeinrichtung mit 4·k + 1, mit k = 0, 1, 2, ...,
wobei die unterste Spule die Spule 1 ist, dann fließt durch
die 4·k
+ 3te Spule der gleiche Strom wie durch die 4·k + 1te Spule, jedoch in
umgekehrter Richtung. Dies entspricht einer Phasenverschiebung des
Stromes um 180°.
In analoger Weise verhält
es sich mit der 4·k
+ 4ten und 4·k
+ 2ten Spule.
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Hieraus
ergeben sich folgende Phasenverschiebungen in den Spulen:
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Das
bedeutet, die 1., 5., 9., ... Spule, die 2., 6., 10., ... Spule,
die 3., 7., 11., ... Spule, die 4., 8., 12., .... Spule sind gleich
verschaltet und haben somit die gleiche Phasenlage.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
wird in der Schmelze ein vertikal gerichtetes magnetisches Wanderfeld
erzeugt, welches Kräfte
in der Schmelze erzeugt, die die Strömung kontrolliert bzw. dämpft. Außerdem kann
mit der beschriebenen Lösung
die Form der Phasengrenze optimiert, die Kristallausbeute erhöht und die
strukturelle Perfektion der Kristalle verbessert werden.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und von Zeichnungen
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Kristallzüchtungsanlage,
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2 eine
schematische Darstellung einer Spulenanordnung für eine Heizeinrichtung mit
drei übereinander
angeordneten Spulen und zwei parallel geschalteten Spulen,
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3 eine
schematische Darstellung einer Spulenanordnung für eine Heizeinrichtung mit
drei übereinander
angeordneten Spulen und zwei in Reihe geschalteten Spulen,
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4 eine
schematische Darstellung einer Spulenanordnung für eine Heizeinrichtung mit
sechs übereinander
angeordneten Spulen und drei parallel geschalteten Spulen,
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5 eine
schematische Darstellung einer Spulenanordnung für eine Heizeinrichtung mit
sechs übereinander
angeordneten Spulen und drei in Reihe geschalteten Spulen,
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6 ein
Blockschaltbild für
die Ansteuerung einer Heizeinrichtung aus drei Spulen,
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7 ein
Blockschaltbild für
Ansteuerung einer Heizeinrichtung aus sechs Spulen,
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8 ein
Blockschaltbild für
die Ansteuerung einer Heizeinrichtung aus zwei Spulen.
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In 1 werden
die wesentlichen Elemente einer Kristallzüchtungsanlage mit einer Heizeinrichtung 24 schematisch
im Querschnitt dargestellt.
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In
einer Züchtungskammer 23 befinden
sich ein Tiegel 20 mit der darin enthaltenen Schmelze 22.
Der Tiegel 20 ist von einer Heizeinrichtung bestehend aus
einer Mehrspulenanordnung mit 3 Spulen, einer ersten unteren Spule 1,
einer zweiten Spule 2 und einer dritten oberen Spule 3 umgeben.
Die Spulen 1–3 haben
jeweils 3 Windungen. Als Spulenmaterial wird Graphit verwendet. 1 zeigt
auch einen aus der Schmelze gezogenen Kristall 21.
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Die
Heizeinrichtung 24 der Kristallzüchtungsanlage erfüllt zwei
Funktionen: Sie dient der Bereitstellung des für den Kristallzüchtungsprozess
erforderlichen Temperaturfeldes und gleichzeitig der Erzeugung eines magnetischen
Wanderfeldes in der Schmelze 22. 1 zeigt
auch eine schematische Darstellung von Magnetfeldlinien 25 und
eines Strömungsverlaufes 26 in
der Schmelze 22. Dargestellt sind ferner die Anschlüsse 7, 8 und 9,
die durch die Züchtungskammer 23 geführt sind.
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Zur
Erzeugung des Temperaturfeldes wird in eine der Spulen 1–6 eine
wandermagnetfeldunabhängige Stromkomponente
zusätzlich
eingespeist. Dies kann im einfachsten Fall ein Gleichstrom oder
ein Wechselstrom mit einer anderen Frequenz als der zur Erzeugung
des magnetischen Wanderfeldes sein.
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In 2 wird
die schematische Darstellung einer Heizeinrichtung, die aus einer
Spulenanordnung mit drei Spulen 1–3 aufgebaut ist,
gezeigt. Die Dreispulenanordnung in 2 besteht
aus der Spule 1, der Spule 2 und der Spule 3.
Die Spule 1 und die Spule 3 sind parallel geschaltet.
Dargestellt sind auch ein Spulenanfang 1A, 2A und 3A der
Spulen 1, 2 und 3 und ein jeweiliges
Spulenende 1E, 2E und 3E der Spulen 1, 2 und 3.
Die Spulen sind mit drei Anschlüssen,
einem Anschluss 7, einem Anschluss 8 und einem
dritten Anschluss 9 verbunden. Die Anschlüsse 7, 8 und 9 kennzeichnen
auch die drei Durchführungen
durch die Züchtungskammer 23.
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Der
Anschluss 7 ist mit einem Leistungsmodul 11, der
Anschluss 8 mit einem zweiten Leistungsmodul 12 außerhalb
der Züchtungskammer 23 verbunden.
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Zur
Erzeugung der Phasenverschiebungen des Stromes in den Spulen von
90° und
zur Erzeugung eines vertikalen magnetischen Wanderfeldes in der
Schmelze 22 wird die Spannung des Leistungsmodules 11 an
das Spulenende 1E der Spule 1 gelegt. Parallel
dazu wird die Spannung des Leistungsmodules 11 auch an den
Spulenanfang 3A der dritten Spule 3 gelegt. Der
Strom fließt
in der Spule 1 und in der Spule 3 zur Bezugsmasse 10,
in der Spule 3 allerdings in umgekehrter Richtung. Eine
um 90° phasenverschobene
Spannung des zweiten Leistungsmodules 12 wird an das Spulenende 2E der
zweiten Spule 2 gelegt, so dass der Strom um 90° „nacheilend" gegenüber der
Spule 1 fließt
und 90° „voreilend" gegenüber der
Spule 3. Das erste Leistungsmodul 11 muss bei
dieser Schaltung den doppelten Strom gegenüber dem zweiten Leistungsmodul 12 liefern.
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In 3 wird
eine Spulenanordnung für
eine Heizeinrichtung aus drei Spulen dargestellt, wobei im Gegensatz
zu der Spulenanordnung aus 1 die Spule 1 und
die Spule 3 in Reihe geschaltet sind.
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Durch
die Zusammenschaltung des Spulenanfanges 1A der Spule 1 und
des Spulenanfanges 3A der Spule 3, fließt der Strom
in der Spule 3 bezogen auf die erste Spule 1 in
entgegengesetzter Richtung. Die um 90° phasenverschobene Spannung
an der zweiten Spule 2 sorgt für eine 90°-Phasenverschiebung des Stromes.
Bei dieser Anordnung muss die Spannung vom ersten Leistungsmodul 11 doppelt
so hoch sein, wie die des zweiten Leistungsmodules 12,
um in den drei Spulen den Strom mit gleicher Amplitude fließen zu lassen.
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In 4 ist
eine Spulenanordnung für
eine Heizeinrichtung aus sechs Spulen 1–6, dargestellt, wobei jeweils
drei Spulen parallel geschaltet sind. Das sind einerseits die Spulen 1, 3 und 5 und
andererseits die Spulen 2, 4 und 6.
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Die
Spulen, die vom ersten Leistungsmodul 11 versorgt werden,
das sind die erste Spule 1, die dritte Spule 3 und
eine fünfte
Spule 5, sind abwechselnd umgekehrt verschaltet. Sie bilden
ein erstes Heizersystem VI. Das Spulenende 1E der
Spule 1, der Spulenanfang 3A der Spule 3 und
und das Spulenende 5E der Spule 5 sind zusammengeschaltet
und mit dem Anschluss 7 verbunden. Der Strom fließt über die
Spulen 1, 3 und 5 zum Anschluss 9,
der verbunden ist mit Spulenanfang 1A der Spule 1,
dem Spulenende 3E der Spule 3 und dem Spulenanfang 5A der
Spule 5. Die Spulen 2, 4 und 6 sind
ebenfalls abwechselnd umgekehrt geschaltet und bilden ein zweites
Heizersystem VII. Der Strom für die Spulen 2, 4 und 6 wird über den
Anschluss 8 eingespeist, der verbunden ist mit Spulenende 2E der
Spule 2, dem Spulenanfang 4A der Spule 4 und
dem Spulenende 6E der Spule 6. Über die
Spulen 2, 4 und 6 fließt der Strom
zum Anschluss 9, der verbunden ist mit dem Spulenanfang 2A der
Spule 2, dem Spulenende 4E der Spule 4 und
dem Spulenanfang 6A der Spule 6.
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Den
Strom, den das Leistungsmodul 11 liefert, wird auf die
Spulen 1, 3 und 5 aufgeteilt. Der Strom
vom Leistungsmodul 12 wird auf die Spulen 2, 4 und 6 aufgeteilt.
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In 5 ist
eine Spulenanordnung für
eine Heizeinrichtung aus sechs Spulen dargestellt, wobei hier – im Gegensatz
zu 4 – jeweils
drei Spulen, die Spulen 1, 3 und 5 bzw.
die Spulen 2, 4 und 6, in Reihe geschaltet
sind.
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Bei
dieser Anordnung bilden die Spulen 1, 3 und 5 das
erste Heizersystem VI und die Spulen 2, 4 und 6 bilden
das zweite Heizersystem VII.
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Die
180°-Phasenverschiebung
der an einem Leistungsmodul 11, 12 angeschlossenen
Spulen wird dadurch erreicht, dass jeweils der Spulenanfang einer
Spule mit dem Spulenanfang der nächsten
Spule verbunden wird bzw. das Spulenende einer Spule mit dem Spulenende
der nächsten
Spule.
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Der
vom Leistungsmodul 11 gelieferte Strom wird über den
Anschluss 7 in das Spulenende 1E eingespeist.
Der Strom fließt über Spule 1 zum
Spulenanfang 1A, von dort über ein senkrechtes Verbindungsteil 1A–3A zum
Spulenanfang 3A der Spule 3. Durch das Verbindungsteil 1A–3A der
beiden Spulenanfänge 1A und 3A der
Spulen 1 und 3 fließt der Strom in Spule 3 genau
entgegengesetzt zur Spule 1. Die Phase wird also um 180° gedreht.
Er fließt
zum Spulenende 3E und über
das senkrechte Verbindungsteil 3E und 5E zum Spulenende 5E der
Spule 5. Bezogen auf die Spule 3 fließt der Strom
in der Spule 5 entgegengesetzt, so dass sich auch hier
eine Phasendrehung um 180° ergibt.
Der Strom fließt
zum Spulenanfang 5A der Spule 5, der verbunden
ist mit Anschluss 9. Durch die zweimalige Drehung der Phase
um 180° fließt der Strom
in der Spule 1 und in der Spule 5 in der gleichen
Phase.
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Der
vom Leistungsmodul 12 kommende Strom im zweiten Heizersystem VII wird über den
Anschluss 8 in das Spulenende 2E der Spule 2 eingespeist.
Er fließt
zum Spulenanfang 2A und von dort über ein senkrechtes Verbindungsteil 2A–4A zum
Spulenanfang 4A der Spule 4. Von dort fließt der Strom
in umgekehrter Richtung bezogen auf die Spule 2 zum Spulenende 4E der
Spule 4. Hieraus ergibt sich eine Phasendrehung um 180°. Über ein
senkrechtes Verbindungsteil 4E–6E vom Spulenende 4E der
Spule 4 fließt
der Strom zum Spulenende 6E der Spule 6. Bezogen
auf die Spule 4 fließt
der Strom in der Spule 6 in umgekehrter Richtung zum Spulenanfang 6A der
Spule 6, der mit dem Anschluss 9 verbunden ist.
Es gibt hier wiederum eine Phasendrehung um 180°. Die zweimalige Phasendrehung
hat zur Folge, dass der Strom in Spule 6 in der gleichen Phase
wie in der Spule 2 fließt.
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Der
Strom der in Reihe geschalteten Spulen ist gleich groß; es muss
jedoch eine entsprechend höhere Spannung
angelegt werden.
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Die
Leistungsmodule 11, 12 haben üblicherweise Sperrspannungen
von 1.200 V. Die Spannungen an den einzelnen Spulen liegen im Bereich
von 30–50
V. Es ist möglich,
eine größere Spulenanzahl
n von Spulen in Reihe zu schalten und somit große Schmelzhöhen zu beheizen. Dies ist deshalb
von Bedeutung, da man die Höhe
einer Spule nicht beliebig vergrößern kann,
da die Wirkung des magnetischen Wanderfeldes auf dem Übergang
des Magnetfeldes von einer Spule auf die nächste Spule beruht. Große Höhen der
einzelnen Spulen würden
ungleichmäßige Kräfte in der
Schmelze erzeugen.
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Ein
Sonderfall stellt eine Anordnung mit lediglich zwei Spulen dar.
In diesem Fall speist ein Leistungsmodul jeweils eine Spule. Bei
der Zwei-Spulenanordnung ist es möglich, eine andere – beliebige – Phasenverschiebung
als 90° einzustellen
und damit größere magnetische
Kräfte
in der Schmelze zu erzeugen.
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In 6 wird
das Blockschaltbild für
eine Ansteuerung der Heizeinrichtung für eine Mehrspulenanordnung
bestehend aus drei Spulen dargestellt.
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Das
Blockschaltbild zeigt eine Spule 1, die mit einer Spule 3 parallelverschaltet
ist. Darstellt sind auch die Spulenanfänge 1A, 2A und 3A der
jeweiligen Spulen 1, 2 und 3 und die
Spulenenden 1E, 2E und 3E der jeweiligen
Spulen 1, 2 und 3. Die Spule 1 und
die Spule 3 werden von dem Leistungsmodul 11 über den
Anschluss 7 versorgt. Eine zweite Spule 2 wird über den
Anschluss 8 von dem zweiten Leistungsmodul 12 versorgt.
Auf diese Weise lässt
sich die Mehrspulenanordnung in das erste Heizersystem VI,
mit Spule 1 und Spule 3 und das zweites Heizersystem VII mit
Spule 2, aufteilen. Über
einen dritten Anschluss 9 werden die Spulen 1–3 mit
der Bezugsmasse 10 der Leistungsmodule 11, 12 verbunden.
Die Leistungsmodule 11, 12 sind ihrerseits mit
einer Energieversorgungseinrichtung 19 und weiteren Steuerelementen
verbunden.
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Das
Blockschaltbild in 6 zeigt darüber hinaus die Anordnung der
weiteren Steuerelemente, die über
eine Datenverarbeitungsanlage 14 gesteuert werden. Über die
Datenverarbeitungsanlage 14 erfolgt die Steuerung des Kristallzüchtungsprozesses.
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Dargestellt
sind ferner schematisch die Verbindungen der einzelnen Steuerelemente
miteinander: Ein Pfad I für die Steuerung der Amplituden-
und Frequenzsteuerung, ein Pfad II für die Steuerung der Phasen, ein
Pfad III für
die Einspeisung der wandermagnetfeldunabhängigen Stromkomponente, ein
Pfad IV für
die Rückführung der
Strom,- Spannungs-, und Leistungs-Ist-Werte des ersten Heizersystems VI in
die Datenverarbeitungsanlage 14 und ein Pfad V für die Rückführung der
Strom-, Spannungs-, und Leistungs-Ist-Werte des zweiten Heizersystems VII in
die Datenverarbeitungsanlage 14.
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Die
Ansteuerung der Heizeinrichtung in 6 erfolgt
mit zwei Phasen über
den Anschluss 7 und den Anschluss 8 sowie einem
gemeinsamen Anschluss 9, der mit einer Bezugsmasse 10 verbunden
ist.
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Im
Pfad I erfolgt die Steuerung der Amplitude und der Frequenz
einer in einem Sinusgenerator 15 erzeugten Sinusspannung.
Im Sinusgenerator 15, der mit einem Phasenschieber 16 in
Verbindung steht, wird eine Sinusspannung bestimmter Frequenz und
Amplitude erzeugt. Wird im Phasenschieber 16 eine Phasenlage
von –90° eingestellt,
so wird ein „nach
oben laufendes" magnetisches
Wanderfeld erzeugt, bei einer Phasenlage von +90° ein „nach unten laufendes" magnetisches Wanderfeld,
bezogen auf eine gedachte Spulenachse der Spulenanordnung der Heizeinrichtung 24.
Die so in „z-Richtung" erzeugten Volumenkräfte wirken
in Richtung des Wanderfeldes.
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Statt
des Sinusgenerators 15 kann auch ein Dreieckgenerator verwendet
werden, der eine Dreieckspannung erzeugt, die anschließend mit
einem Sinusformer in eine sinusähnliche
Spannung umgewandelt wird.
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Im
Pfad II erfolgt die Steuerung der Amplitude der Sinusspannung
für das
zweite Heizersystem VII. Der Phasenschieber 16 dient
zur Erzeugung einer Wechselspannung gleicher Frequenz aber mit geänderter Phasenlage
gegenüber
einer Eingangsspannung. Es ist eine Verschiebung in Richtung positiver
als auch negativer Phasenwinkel möglich. Beträgt die Phasenlage der Eingangsspannung
ue = U ^sinωt,
dann ändert
sich die Phasenlage nach der Phasenverschiebung in ua = U ^sin(ωt + φ).
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Die
Signalspannungen im Sinusgenerator 15 und im Phasenschieber 16 werden
einem ersten Pulsweitenmodulator 17a und einem zweiten
Pulsweitenmodulator 17b zugeführt. Die Pulsweitenmodulatoren 17a, 17b sorgen
im Zusammenspiel mit dem ersten Leistungsmodul 11 und dem
zweiten Leistungsmodul 12 für die Erzeugung der Heizleistung.
Die Energieversorgungseinrichtung 19 stellt für die Leistungsmodule 11, 12 eine positive
und eine negative Versorgungsspannung gegenüber der Bezugsmasse 10 zur
Verfügung.
In den Leistungsmodulen 11, 12 sind zwei Leistungstransistoren
(nicht dargestellt) zu einer Halbbrücke verschaltet, d. h. ein
Transistor ist mit der positiven Versorgungsspannung verbunden und
ein Transistor mit einer negativen Versorgungsspannung. Um die Verlustleistung
in den Leistungsmodulen 11, 12 gering zu halten,
arbeiten die Leistungstransistoren im Schaltbetrieb. Durch die wechselseitige
zeitliche Ansteuerung der Transistoren durch die Pulsweitenmodulatoren 17a, 17b wird
nach den Filtern, d. h. nach einem Tiefpass 13a bzw. nach
einem zweiten Tiefpass 13b eine Spannung mit entsprechend
hoher Leistung erzeugt, die den Eingangswerten der Pulsweitenmodulatoren 17a, 17b entspricht.
Die Schaltfrequenz muss wesentlich höher sein, als die Frequenz der
Sinusspannung, um diese möglichst
fein abbilden zu können.
Der Tiefpass 13a, 13b kann im einfachsten Fall
ein Drossel sein. Eine effektive Filterung kann man durch eine LC-Kombination
erreichen.
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Ausgehend
von dem Tiefpass 13a, 13b wird der Strom über den
ersten Anschluss 7 bzw. den zweiten Anschluss 8 den
Spulen zugeführt.
Die weiteren Spulenanschlüsse
des ersten Heizersystems VI und des zweiten Heizersystems VII werden
innerhalb der Züchtungskammer 23 zusammengeführt: Das
sind die Spulenanfänge
bzw. Spulenenden 1A, 2A und 3E der Spulen 1, 2 und 3 (2);
(3) der Spulenanfang 2A der Spule 2 und
das Spulenende 3E der Spule 3; (4)
die Spulenanfänge 1A, 2A,
der Spule 1 und 2, die Spulenenden 3E, 4E der
Spulen 3 und 4, die Spulenanfänge 5A und 6A der
Spulen 5 und 6 sowie (5) der Spulenanfang 5A der
Spule 5 und der Spulenanfang 6A der Spule 6.
Diese werden über
die Durchführung
des Anschlusses 9 mit der Bezugsmasse 10 der Leistungsmodule 11, 12 verbunden.
Außerhalb
des Züchtungskammer
wird der dritte Anschluss 9 mit der Bezugsmasse 10 der
Leistungsmodule 11, 12 verbunden.
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Eine
180°-Phasenverschiebung
wird durch die entgegengesetzte Verschaltung zwischen der Spule 1 und
der Spule 3 erreicht. Die Spule 2 befindet sich
zwischen der ersten Spule 1 und der dritten Spule 3.
Durch die um 90° phasenverschobene
Versorgungsspannung ergibt sich jeweils ein um 90° phasenverschobener Strom
in den Spulen. Die phasenverschobenen Ströme in den Spulen stellen ein
magnetisches Wanderfeld in der notwendigen Größe zur Verfügung, um die Strömung in
der Schmelze zu kontrollieren.
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Die
Parameter der magnetischen Wanderfeldes sollten so bemessen sein,
dass ihre Amplitude noch nicht ausreicht, um das Material im Tiegel 20 aufzuschmelzen.
Eine weitere Leistungskomponente ist notwendig, um die Schmelze 22 im
Tiegel 20 zu erzeugen. Dazu wird über die Datenverarbeitungsanlage 14 in
den Pfad III eine wanderfeldunabhängige Komponente eingegeben. Über die
wanderfeldunabhängige
Komponente lässt
sich ein gewünschter
Temperaturgradient einstellen. Die wanderfeldunabhängige Komponente
wird in den Pulsweitenmodulatoren 17a, 17b der
Sinusspannung hinzugefügt.
In den Leistungsmodulen 11, 12 wird daraus eine
zusätzliche
Leistungskomponente erzeugt. Die wandermagnetfeldunabhängige Komponente kann
in einfachsten Fall eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung
mit sehr geringer Frequenz als zur Erzeugung des magnetischen Wanderfeldes
sein, die nur geringe Kräfte
in der Schmelze erzeugen kann. Hat diese Wechselspannung die gleiche
Phase ergibt sich auch keine Kraftkomponente in vertikaler Richtung.
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In
einer Messeinrichtung 18a, 18b wird der Strom
in den beiden Heizersystemen VI und VII und die Spannung
gegenüber
der Bezugsmasse 10 erfasst. Es findet eine Leistungsermittlung
statt. Die ermittelten Strom-, Spannungs-, und Leistungs-Ist-Wert
werden über
den Pfad IV und dem Pfad V in die Datenverarbeitungsanlage 14 zurückgeführt.
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In 7 wird
das Blockschaltbild für
die Ansteuerung einer Spulenanordnung für eine Heizeinrichtung bestehend
aus 6 Spulen dargestellt.
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Die
180°-Phasenverschiebung
zwischen der Spule 1 und der Spule 3 wird durch
die Zusammenschaltung ihrer beiden Spulenanfänge 1A und 3A erreicht,
eine weitere Phasenverschiebung von 180° zwischen der dritten Spule 3 und
der fünften
Spule 5 wird durch die Zusammenschaltung ihrer beiden Spulenenden 3E und 5E erreicht.
In der Spule 1 und in der Spule 5 fließt der Strom
in gleicher Phase. Die Phasenverschiebung zwischen Spule 2 und
der Spule 4 wird durch die Zusammenschaltung ihrer beiden
Spulenanfänge 2A und 4A erreicht,
eine weitere Phasenverschiebung um 180° zwischen der Spule 4 und
Spule 6 wird durch die Zusammenschaltung ihrer beiden Spulenenden 4E und 6E erreicht.
In der Spule 2 und der Spule 6 fließt der Strom somit
wieder in der gleichen Phase. Die Spulenanfänge 5A und 6A der
Spule 5 und Spule 6 werden zusammengeführt auf den
Anschluss 9. Über
den Anschluss 9 wird das Heizersystem VI und das
Heizersystem VII mit der Bezugsmasse der Leistungsmodule 10 verbunden.
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In 8 ist
das Blockschaltbild für
eine Heizereinrichtung aus zwei Spulen, der Spule 1 und
der Spule 2, dargestellt.
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Diese
Anordnung – die
Zweispulenanordnung – stellt
einen Sonderfall der Heizeinrichtung dar. Hierbei speist ein Leistungsmodul
jeweils eine Spule. Die Spule 1 wird von Leistungsmodul 11 versorgt
und die Spule 2 von Leistungsmodul 12. Die Leistungsmodule 11, 12 stehen
mit den Tiefpässen 13a, 13b,
den Messeinrichtungen 18a, 18b und der Datenverarbeitungsanlage 14 in
Verbindung. Dargestellt in 8 ist das
Blockschaltbild für
eine direkte Ansteuerung der Leistungsmodule 11, 12 durch
die Datenverarbeitungsanlage 14.
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Die
Ansteuerung des Leistungsmodules 11 erfolgt auf einem Pfad VIII mit
einer Impulsfolge derart, dass hinter dem Tiefpass 13a eine
Sinusspannung in der gewünschten
Form entsteht. Diese Impulsfolge entspricht jener, die der Pulsweitenmodulator 17a, 17b im
Zusammenspiel mit dem Sinusgenerator in der 6 bzw. 7 erzeugt,
aber unter Umgehung dieser Elemente direkt aus der Datenverarbeitungsanlage 14 ausgegeben
wird. Über
den Anschluss 7 wird der Strom in das Spulenende 1E der
Spule 1 eingespeist, der dann zum Anschluss 9 fließt. Das
Leistungsmodul 12 wird über
einen Pfad IX direkt mit einer Impulsfolge aus der Datenverarbeitungsanlage 14 angesteuert.
Diese Impulsfolge entspricht der Impulsfolge, die im Zusammenspiel
zwischen dem Phasenschieber 16 und dem Pulsweitenmodulator 17b in
der 6 bzw. 7 erzeugt wird, jedoch unter
Umgehung dieser Elemente. Die nach dem Tiefpass 13b erzeugte
Sinusspannung hat dann auch die gewünschte Phasenverschiebung gegenüber der
Sinusspannung hinter dem Tiefpass 13a. Die Phasenverschiebung
kann bei der Zweispulenanordnung im Gegensatz zu Anordnungen mit
mehr als zwei Spulen jeden beliebigen Wert annehmen. Über den
Anschluss 8 wird der Strom in das Spulenende 2E der
Spule 2 eingespeist und fließt zum Anschluss 9,
der verbunden ist mit Spulenanfang 1A und 2A.
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- I
- Pfad
für Amplituden-
und Frequenzsteuerung
- II
- Pfad
für Phasensteuerung
- III
- Pfad
für wandermagnetfeldunabhängige Komponente
- IV
- Pfad
für Rückführung für Strom-,
und Spannungs-Ist-Werte des ersten Heizersystems
- V
- Pfad
für Rückführung für Strom-,
und Spannungs-Ist-Werte des zweiten Heizersystems
- VI
- erstes
Heizersystem
- VII
- zweites
Heizersystem
- VIII
- Pfad
für die
Impulsausgabe an das Leistungsmodul 11 bei einer direkten
Ansteuerung
- IX
- Pfad
für die
Impulsausgabe an das Leistungsmodul 12 bei einer direkten
Ansteuerung
- 1
- Spule
- 2
- Spule
- 3
- Spule
- 4
- Spule
- 5
- Spule
- 6
- Spule
- 7
- Anschluss
- 8
- Anschluss
- 9
- Anschluss
- 10
- Bezugsmasse
der Leistungsmodule
- 11
- Leistungsmodul
- 12
- Leistungsmodul
- 13a
- Tiefpass
- 13b
- Tiefpass
- 14
- Datenverarbeitungsanlage
- 15
- Sinusgenerator
- 16
- Phasenschieber
- 17a
- Pulsweitenmodulator
- 17b
- Pulsweitenmodulator
- 18a
- Messeinrichtung
- 18b
- Messeinrichtung
- 19
- Energieversorgungseinrichtung
- 20
- Tiegel
- 21
- Kristall
- 22
- Schmelze
- 23
- Züchtungskammer
- 24
- Heizeinrichtung
- 25
- Magnetfeldlinien
- 26
- Strömungsverlauf
in der Schmelze
- n
- Spulenanzahl
- N
- Spulenwindungszahl
- φ
- Phasenwinkel
- ω
- Kreisfrequenz
- i
- Momentanwert
des Stromes
- I ^
- Spitzenwert
des Stromes
- U ^
- Spitzenwert
der Spannung
- ua
- Spannung
am Ausgang des Phasenschiebers
- ue
- Spannung
am Eingang des Phasenschiebers
- 1A
- Spulenanfang
Spule 1
- 2A
- Spulenanfang
Spule 2
- 3A
- Spulenanfang
Spule 3
- 4A
- Spulenanfang
Spule 4
- 5A
- Spulenanfang
Spule 5
- 6A
- Spulenanfang
Spule 6
- 1E
- Spulenende
Spule 1
- 2E
- Spulenende
Spule 2
- 3E
- Spulenende
Spule 3
- 4E
- Spulenende
Spule 4
- 5E
- Spulenende
Spule 5
- 6E
- Spulenende
Spule 6
- 1A–3A
- Verbindungsteil
- 2A–4A
- Verbindungsteil
- 3E–5E
- Verbindungsteil
- 4E–6E
- Verbindungsteil
- 3A–4E
- Verbindungsteil
- 4A–5E
- Verbindungsteil