DE102007020239B4

DE102007020239B4 - Vorrichtung zur Herstellung von Kristallen aus elektrisch leitfähigen Schmelzen

Info

Publication number: DE102007020239B4
Application number: DE102007020239A
Authority: DE
Inventors: Mario Dipl.-Ing. Ziem; Peter Prof. Dr. Rudolph; Ralph-Peter Dipl.-Ing. Lange
Original assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Current assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority date: 2006-04-24
Filing date: 2007-04-24
Publication date: 2009-09-03
Anticipated expiration: 2027-04-25
Also published as: DE102007020239A1

Abstract

Vorrichtung zur Herstellung von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen, mindestens aufweisend einen in einer Züchtungskammer (23) angeordneten, eine Schmelze (22) enthaltenen Tiegel (20), eine den Tiegel umgebende Heizeinrichtung (24) und eine außerhalb der Züchtungskammer (23) angeordnete Energieversorgungseinrichtung (19) und weitere außerhalb der Züchtungskammer (23) angeordnete und miteinander in Verbindung stehende Steuerelemente,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Heizeinrichtung (24) als eine Mehrspulenanordnung ausgeführt ist, welche über drei Anschlüsse (7, 8, 9) verfügt, die durch die Züchtungskammer (23) geführt sind und wobei die Mehrspulenanordnung an zwei außerhalb der Züchtungskammer (23) angeordneten und mit der Energieversorgungseinrichtung (19) und den weiteren Steuerelementen in Verbindung stehenden Leistungsmodulen (11, 12) angeschlossen ist,
wobei das erste Leistungsmodul (11) über einen Anschluss (7) und einen Anschluss (9), das zweite Leistungsmodul (12) über einen Anschluss (8) und den Anschluss (9) mit Spulen (1–6) der Heizeinrichtung (24) verbunden sind,
und wobei die Leistungsmodule (11, 12) mit einer...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Kristallen aus leitfähigen Schmelzen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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) 133] 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.
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.
Wandernde Magnetfelder fanden bereits eine erfolgreiche Anwendung in der Produktion von Siliziumkristallen [A. Krauze 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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. 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].
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 unten oder von unten nach oben die Schmelze durchlaufen.
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.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruches 1.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.
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, wobei das erste 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.
In einer nächsten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Mehrspulenanordnung aus einer beliebigen Spulenanzahl von übereinander angeordneten Spulen aufgebaut ist.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Spulen stufenlose spiralförmig angeordnete Windungen aufweisen.
Eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwindungszahl einer Spule jeweils ganzzahlig ist.
In einer nächsten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Spulen der Heizeinrichtung in Reihenschaltung und/oder in Parallelschaltung miteinander verschaltet sind.
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.
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.
In einer nächsten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass das erste Leistungsmodul mit dem Pulsweitenmodulator, dem Sinusgenerator, dem Tiefpass, der Messeinrichtung und der Datenverarbeitungsanlage verbunden ist und das zweite Leistungsmodul mit dem weiteren Pulsweitenmodulator, Phasenschieber, Tiefpass, Messeinrichtung und der Datenverarbeitungsanlage verbunden ist.
Schließlich ist eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Ansteuerung der Leistungsmodule lediglich eine Datenverarbeitungsanlage vorgesehen ist, wobei das erste Leistungsmodul mit einem Tiefpass, einer Messeinrichtung und der Datenverarbeitungsanlage in Verbindung steht und wobei das zweite Leistungsmodul mit dem weiteren Tiefpass, der Messeinrichtung und der Datenverarbeitungsanlage verbunden ist.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Hieraus ergeben sich folgende Phasenverschiebungen in den Spulen:
4·k + 1te Spule: i = Îsinωt erstes Leistungsmodul,
4·k + 2te Spule: i = Îsin(ωt + 90°) zweites Leistungsmodul,
4·k + 3te Spule: i = Îsin(ωt + 180°) erstes Leistungsmodul,
4·k + 4te Spule: i = Îsin(ωt + 270°) zweites Leistungsmodul.
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.
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.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Kristallzüchtungsanlage,
2 eine schematische Darstellung einer Spulenanordnung für eine Heizeinrichtung mit drei übereinander angeordneten Spulen und zwei parallel geschalteten Spulen,
3 eine schematische Darstellung einer Spulenanordnung für eine Heizeinrichtung mit drei übereinander angeordneten Spulen und zwei in Reihe geschalteten Spulen,
4 eine schematische Darstellung einer Spulenanordnung für eine Heizeinrichtung mit sechs übereinander angeordneten Spulen und drei parallel geschalteten Spulen,
5 eine schematische Darstellung einer Spulenanordnung für eine Heizeinrichtung mit sechs übereinander angeordneten Spulen und drei in Reihe geschalteten Spulen,
6 ein Blockschaltbild für die Ansteuerung einer Heizeinrichtung aus drei Spulen,
7 ein Blockschaltbild für Ansteuerung einer Heizeinrichtung aus sechs Spulen,
8 ein Blockschaltbild für die Ansteuerung einer Heizeinrichtung aus zwei Spulen.
In 1 werden die wesentlichen Elemente einer Kristallzüchtungsanlage mit einer Heizeinrichtung 24 schematisch im Querschnitt dargestellt.
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.
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.
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.
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.
Der Anschluss 7 ist mit einem Leistungsmodul 11, der Anschluss 8 mit einem zweiten Leistungsmodul 12 außerhalb der Züchtungskammer 23 verbunden.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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. Der Strom der in Reihe geschalteten Spulen ist gleich groß; es muss jedoch eine entsprechend höhere Spannung angelegt werden.
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.
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.
In 6 wird das Blockschaltbild für eine Ansteuerung der Heizeinrichtung für eine Mehrspulenanordnung bestehend aus drei Spulen dargestellt.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 u_e = Ûsinωt, dann ändert sich die Phasenlage nach der Phasenverschiebung in u_a = Ûsin(ωt + φ).
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.
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.
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.
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.
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.
In 7 wird das Blockschaltbild für die Ansteuerung einer Spulenanordnung für eine Heizeinrichtung bestehend aus 6 Spulen dargestellt.
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.
In 8 ist das Blockschaltbild für eine Heizereinrichtung aus zwei Spulen, der Spule 1 und der Spule 2, dargestellt.
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. 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.

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
Î: Spitzenwert des Stromes
Û: Spitzenwert der Spannung
u_a: Spannung am Ausgang des Phasenschiebers
u_e: 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

Claims

Vorrichtung zur Herstellung von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen, mindestens aufweisend einen in einer Züchtungskammer (23) angeordneten, eine Schmelze (22) enthaltenen Tiegel (20), eine den Tiegel umgebende Heizeinrichtung (24) und eine außerhalb der Züchtungskammer (23) angeordnete Energieversorgungseinrichtung (19) und weitere außerhalb der Züchtungskammer (23) angeordnete und miteinander in Verbindung stehende Steuerelemente, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (24) als eine Mehrspulenanordnung ausgeführt ist, welche über drei Anschlüsse (7, 8, 9) verfügt, die durch die Züchtungskammer (23) geführt sind und wobei die Mehrspulenanordnung an zwei außerhalb der Züchtungskammer (23) angeordneten und mit der Energieversorgungseinrichtung (19) und den weiteren Steuerelementen in Verbindung stehenden Leistungsmodulen (11, 12) angeschlossen ist, wobei das erste Leistungsmodul (11) über einen Anschluss (7) und einen Anschluss (9), das zweite Leistungsmodul (12) über einen Anschluss (8) und den Anschluss (9) mit Spulen (1–6) der Heizeinrichtung (24) verbunden sind, und wobei die Leistungsmodule (11, 12) mit einer Bezugsmasse (10) außerhalb der Züchtungskammer (23) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrspulenanordnung aus einer beliebigen Spulenanzahl (n) von übereinander angeordneten Spulen (1–6) aufgebaut ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (1–6) stufenlose spiralförmig angeordnete Windungen aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwindungszahl (N) einer Spule (1–6) jeweils ganzzahlig ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (1–6) der Heizeinrichtung (24) in Reihenschaltung und/oder in Parallelschaltung miteinander verschaltet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren außerhalb der Züchtungskammer (23) angeordneten Steuerelemente 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.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Ansteuerung der Leistungsmodule (11, 12) ein Pulsweitenmodulator (17a, 17b) vorgesehen ist; als Mittel zur Filterung von Frequenzen ein Tiefpass (13a, 13b) vorgesehen ist; als Mittel zur Erzeugung von Sinusspannungen ein Sinusgenerator (15) vorgesehen ist; als Mittel zur Erzeugung der Phasenverschiebungen ein Phasenschieber (16) vorgesehen ist; als Mittel zur Erfassung für Strom- und Spannungsmesswerte eine Messeinrichtung (18a, 18b) vorgesehen ist und als Mittel zur Überwachung der Steuerungsvorgänge die Datenverarbeitungsanlage (14) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Leistungsmodul (11) mit dem Pulsweitenmodulator (17a), dem Sinusgenerator (15), dem Tiefpass (13a), der Messeinrichtung (18a) und der Datenverarbeitungsanlage (14) verbunden ist, das zweite Leistungsmodul (12) mit dem Pulsweitenmodulator (17b), dem Phasenschieber (16), dem Tiefpass (13b), der Messeinrichtung (18b) und der Datenverarbeitungsanlage (14) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Ansteuerung der Leistungsmodule (11, 12) lediglich die Datenverarbeitungsanlage (14) vorgesehen ist, wobei das erste Leistungsmodul (11) mit dem Tiefpass (13a), der Messeinrichtung (18a) und der Datenverarbeitungsanlage (14) in Verbindung steht und wobei das zweite Leistungsmodul (12) mit dem Tiefpass (13b), der Messeinrichtung (18b) und der Datenverarbeitungsanlage (14) verbunden ist.