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Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls, der einen verbreiterten Abschnitt zwischen zwei Halsabschnitten aufweist, aus einer Schmelze, sowie ein Verfahren mit dieser Vorrichtung.
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Zum Zwecke der Verringerung von Kosten ist man bei der Herstellung von Einkristallen bestrebt, möglichst große Kristalldurchmesser und Kristalllängen zu erzielen. Das wird besonders am Beispiel von Einkristallen aus Silizium deutlich, die mit einem nominellen Durchmesser von 300 mm und einem Gewicht von über 300 kg im industriellem Maßstab gemäß der Czochralski-Methode gezogen werden. Entsprechende Verfahren zur Herstellung von Einkristallen mit einem nominellen Durchmesser von 450 mm werden bereits entwickelt.
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Beim Ansetzen eines Keimkristalls an eine Schmelze verursacht der thermische Schock Versetzungen, die beseitigt werden müssen, bevor der Einkristall gezogen werden kann. Das Beseitigen von Versetzungen geschieht in bewährter Weise dadurch, dass zunächst ein vergleichsweise dünner Halsabschnitt (engl. „neck portion”) gezogen wird, in dessen Verlauf Versetzungen aus dem Kristall gedrängt werden. Bei schweren Einkristallen, insbesondere bei Einkristallen aus Silizium, deren Gewicht die 300 kg Marke überschreitet, ist die Zugfestigkeit im Halsabschnitt regelmäßig zu schwach, um der Last widerstehen zu können. Es hat sich daher durchgesetzt, den Halsabschnitt zu entlasten, bevor die Last kritisch wird. Zu diesem Zweck wird der Halsabschnitt verbreitert und erneut verjüngt, so dass ein verbreiterter Abschnitt zwischen einem oberen und einem unteren Halsabschnitt entsteht. Der untere Halsabschnitt ist dicker als der obere Halsabschnitt ausgebildet und entsprechend zugfester. Zur Entlastung des oberen Halsabschnitts setzt man eine Unterstützungseinrichtung ein, die den verbreiterten Abschnitt untergreift und das Gewicht des Einkristalls zumindest teilweise trägt. Der verbreiterte Abschnitt kann beispielsweise wie ein Bi-Konus oder eine Kugel geformt sein.
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In der
US 2008/0022922 A1 ist eine Unterstützungseinrichtung beschrieben, die einen Stützring mit einer Öffnung und auf dem Stützring sich gegenüberliegend angeordnete Greifklinken umfasst, die um eine Achse kippbar sind. Die Greifklinken können eine Kippbewegung aus einer Wartestellung in eine Haltestellung, in der sie sich bis in die Öffnung und unter den verbreiterten Abschnitt erstrecken, ausführen. Die Unterstützungseinrichtung hat den Nachteil, dass die Greifklinken irreversibel in die Haltestellung fallen. Das ungedämpfte Fallen der Greifklinken begünstigt das Entstehen von Partikeln, die das fortgesetzte einkristalline Wachstum des Kristalls bedrohen. Darüber hinaus können die Greifklinken nicht mehr in die Wartestellung zurückbewegt werden, um den Kristall nach dem Auftreten von Versetzungen zurückschmelzen zu können.
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Gemäß der
US 5,843,229 kann eine Unterstützungseinrichtung auch so ausgebildet sein, dass der verbreiterte Abschnitt reversibel untergriffen werden kann. Erreicht wird das durch eine Greifvorrichtung mit zwei sich in einem Drehpunkt kreuzenden Armen, die mittels hydraulisch arbeitender Zylinder aufeinander zu und voneinander wegbewegt werden. Nachteilig an dieser Ausführungsform ist, dass sich die Arme scherend aneinander vorbeibewegen, und deshalb mit einem hohen Maß an Partikelbildung in der Nähe des wachsenden Einkristalls gerechnet werden muss. Des Weiteren produzieren die Zylinder im Betrieb ebenfalls Partikel. Der Schutz des Einkristalls durch einen Schild, der Partikel zurückhält, ist jedoch unzureichend, weil der Schild Durchführungen für die Arme aufweisen muss. Darüber hinaus müssen die Durchführungen ausreichend breit sein, um nicht die Seitwärtsbewegung der Arme zu behindern.
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JP 11 217 293 A beschriebt eine gattungsgemäße Vorrichtung mit Trag- und Hilfsseilen und Greifklinken, wobei zum Wickeln eines jeden Trag- und Hilfsseiles jeweils eine eigene Seiltrommel vorgesehen ist und Trag- und Hilfsseil nicht an derselben Greifklinke befestigt sind.
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In der
DE 199 33 771 B4 ist ein Kran mit einem Hubwerk beschrieben, das ein einziges Betätigungsseil
6 aufweist.
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Die Aufgabe der Erfindung bestand deshalb darin, eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls mit einer Unterstützungseinrichtung anzubieten, mit der der obere Halsabschnitt reversibel entlastet werden kann, ohne dass deshalb mit einem hohen Maß an Partikelbildung in der Nähe des wachsenden Einkristalls gerechnet werden muss.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls, der einen verbreiterten Abschnitt zwischen einem oberen und einem unteren Halsabschnitt aufweist, aus einer Schmelze, umfassend
eine Zieheinrichtung zum Ziehen des Einkristalls mit einer Seiltrommel zum Wickeln eines Ziehseils; und
eine Unterstützungseinrichtung zum Entlasten des oberen Halsabschnitts vom Gewicht des Einkristalls umfassend
einen Stützring mit einer Öffnung und mit Greifklinken, die am Stützring sich gegenüberliegend und um die Achse eines Lagers schwenkbar befestigt sind, wobei die Greifklinken eine reversible Schwenkbewegung aus einer Wartestellung in eine Haltestellung, in der sie sich bis in die Öffnung und unter den verbreiterten Abschnitt erstrecken, ausführen können;
Seiltrommeln zum Wickeln von Tragseilen und Hilfsseilen, die an den Greifklinken zu beiden Seiten der Achse des Lagers der Greifklinken befestigt sind, wobei eine gemeinsame Seiltrommel zum Wickeln von Tragseilen und Hilfsseilen, die an derselben Greifklinke befestigt sind, vorhanden ist; und
Hilfsrollen zum Verändern des Seilweges der Hilfsseile, wodurch die Schwenkbewegung der Greifklinken veranlasst wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, den oberen Halsabschnitt des Einkristalls reversibel entlasten zu können. Die Greifklinken kommen zwar weiterhin als potenzielle Quellen von Partikeln in der Nähe des Einkristalls in Betracht. Sie können jedoch kontrolliert und behutsam verstellt werden, so dass sie nur noch selten Versetzungsereignisse auslösen. In der Haltestellung sind die Greifklinken mechanisch stabil fixiert, so dass eine sichere Lastübernahme gewährleistet ist.
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Erfindungsgemäß wird eine Gruppe von zwei oder mehreren Greifklinken in einem Stützring schwenkbar gelagert und an je zwei Seilen (ein Tragseil und ein Hilfsseil) beiderseits der Achse für die Schwenkbewegung so aufgehängt, dass durch vertikales Bewegen des jeweiligen Hilfsseils relativ zum zugehörigen Tragseil eine kontrollierte und reversible Schwenkbewegung der Greifklinken erfolgt. Weiterhin ermöglicht eine synchrone Vertikalbewegung von Trag- und Hilfsseil relativ zum Keimhalter mit den Greifklinken in der eingeklappten Haltestellung eine kontrollierte Lastübernahme. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden zwei Greifklinken durch zwei Tragseile und zwei Hilfsseile bewegt, welche auf insgesamt zwei Seiltrommeln aufgewickelt werden, die ihrerseits auf einer gemeinsamen Antriebswelle laufen. Dadurch wird nur ein Antriebsmotor benötigt, um die synchrone Vertikalbewegung aller Seile und damit der gesamten Unterstützungseinrichtung zu erreichen. Zur Ausführung der Vertikalbewegung der Hilfsseile relativ zu den Tragseilen werden mindestens die Hilfsseile nach dem Ablaufen von den Seiltrommeln über je eine Führungsrolle geführt und zwei Hilfsrollen mittels eines Antriebs kontrolliert in den Seilweg der Hilfsseile eingefahren, wodurch sich der Seilweg der Hilfsrollen verlängert.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Seiltrommel zum Wickeln des Ziehseils und deren Antrieb, die Seiltrommeln zum Wickeln der Tragseile und der Hilfsseile und deren Antrieb, und die Hilfsrollen und deren Antrieb auf einer gemeinsamen horizontalen Plattform befestigt, die um die Achse des Ziehseiles in Rotationsbewegung gebracht werden kann. Durch diese Anordnung ist nur ein Antriebsmotor für die Rotation des Keimhalters und der Unterstützungseinrichtung notwendig und es entfällt das Problem der Synchronisation der Rotationsbewegungen.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Figuren näher erläutert.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer bevorzugten Ausgestaltung zur Herstellung von Einkristallen aus Silizium.
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2 zeigt den Stützring mit den Greifklinken in Wartestellung.
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3 zeigt den Stützring mit den Greifklinken in Haltestellung.
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4 zeigt Elemente der Zieheinrichtung und der Unterstützungseinrichtung in einem Zustand, bei dem sich die Greifklinken in Haltestellung befinden.
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5 zeigt Elemente der Zieheinrichtung und der Unterstützungseinrichtung in einem Zustand, bei dem sich die Greifklinken in Wartestellung befinden.
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Die Vorrichtung gemäß 1 umfasst einen Vakuum-Kessel 1, in dessen Innerem ein Graphit-Widerstandsheizer 2 eine Silizium-Schmelze 3 in einem Quarzglas-Tiegel 4 erzeugt. Aus dieser Silizium-Schmelze 3 wird ein Silizium-Einkristall 5 unter Verwendung eines Ziehseils 6 gezogen, welches auf eine Seiltrommel 7 aufgewickelt wird, wenn diese durch einen Hubmotor 9a in Drehung versetzt wird. Die Seiltrommel 7 und der Hubmotor 9a befinden sich in einer als Seildrehkopf bezeichneten Einheit, welche durch einen Rotationsmotor 10 in Drehung versetzt werden kann, so dass sich auch das Ziehseil 6 und der Einkristall 5 ständig um die eigene Achse drehen. Beim Ziehen schwerer Einkristalle mit einem Gewicht von ca. 300 kg und mehr reicht die Tragfähigkeit eines dünnen Halsabschnittes 11 aus Silizium, welcher zum Eliminieren von Schockversetzungen nach dem Ankeimen erforderlich ist, nicht mehr aus, so dass eine Lastunterstützung für das Kristallgewicht erforderlich wird. Deshalb wird nach dem dünnen Halsabschnitt 11 ein Bi-Konus 13, gefolgt von einem dicken und entsprechend tragfähigeren Halsabschnitt 12 gezogen, und anschließend der Einkristall im engeren Sinne, untergliedert in einen Anfangskonus, einen Abschnitt mit gleichbleibendem Durchmesser und einem Endkonus. Um den Einkristall im Verlauf des Ziehprozesses zu unterstützen und den dünnen Halsabschnitt 11 mechanisch zu entlasten, wird eine Unterstützungseinrichtung verwendet, bei der in einem ringförmigen Körper, der nachfolgend als Stützring bezeichnet wird, zwei Greifklinken schwenkbar gelagert sind. Der Stützring 16 und die Greifklinken sind in den 2 und 3 im Detail dargestellt. In der Wartestellung sind die Greifklinken mit 17 gekennzeichnet, in der Haltestellung mit 18. Das nach innen gerichtete Ende der Greifklinken ist so ausgebildet, dass es in der Haltestellung der Greifklinken 18 mit dem Bi-Konus 13 des Einkristalls 5 in Kontakt gebracht werden kann. Die Schwenkbewegung der Greifklinken wird kontrolliert und reversibel ausgeführt, wobei jede Greifklinke an zwei Seilen (Tragseil 14, Hilfsseil 15) befestigt ist, und die Seilangreifpunkte sich zu beiden Seiten der Achse des Lagers an den Greifklinken befinden. Die Schwenkbewegung der Greifklinken wird durch eine vertikale Relativbewegung der Seile 14, 15 ausgelöst. Im unbelasteten Zustand der Unterstützungseinrichtung können die Hilfsseile 15 dazu eingesetzt werden durch eine Relativbewegung zu den Tragseilen 14 die Greifklinken nach außen oder nach innen zu schwenken.
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Der Stützring 16 ist mit Anschlägen für die Greifklinken versehen, die beim Erreichen der Haltestellung eine fortgesetzte Schwenkbewegung der Greifklinken 18 verhindern. Nach Einnahme der Haltestellung der Greifklinken 18 wird eine synchrone Aufwärtsbewegung der Seile 14, 15 eingeleitet, bis das nach innen gerichtete Ende der Greifklinken mit dem Bi-Konus 13 des Einkristalls 5 in Kontakt kommt. Eine weitere geringfügige Aufwärtsbewegung der Seile 14, 15 führt über deren Elastizität zu einer unterstützenden Kraft auf den Bi-Konus 13, welche den dünnen Halsabschnitt 11 entlastet. In dieser Situation dienen die Tragseile 14 im Wesentlichen als die tragenden Seile, auf die das Gewicht des Einkristalls über die Anschläge im Stützring 16 und die Lager der Greifklinken teilweise übertragen wird.
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Die Seiltrommel 7 zum Wickeln des Ziehseils 6 und ihr Hubantrieb 9, sowie die Seiltrommeln 21 zum Wickeln der Tragseile 14 und der Hilfsseile 15 sowie ihr Hubantrieb 8 sind auf einer gemeinsamen horizontalen Plattform 19 montiert (4). Die Plattform 19 wird vom Rotationsantrieb 10 in Drehung um die Achse des Ziehseils 6 versetzt. Die Antriebe 8 und 9 sind damit in der Lage, unabhängig voneinander die Vertikalbewegung des Ziehseils 6 und die synchrone Vertikalbewegung der Seile 14, 15 der Unterstützungseinrichtung anzutreiben. Da nach dem Kontakt der Greifklinken 18 mit dem Bi-Konus 13 des Einkristalls 5 die Entlastung des dünnen Halsabschnittes 11 in kontrollierter Art eingeleitet werden soll, können oberhalb der Seiltrommeln 7, 21 Führungsrollen 24, 25 eingesetzt werden, über die die Seile 6, 14, 15 ablaufen, und deren Lager jeweils mit Wägezellen verbunden sind, so dass zu jedem Zeitpunkt elektronische Signale über die Gewichtsbelastung der einzelnen Seile zur Verfügung stehen. Um sicher zu stellen, dass alle Seile 6, 14, 15 jeweils senkrecht zu den Führungsrollen 24, 25 laufen, ist es vorteilhaft, dass die Seiltrommeln auf ihren Antriebswellen 22, 23 lateral verschiebbar montiert sind und beim Auf- und Abwickeln der Seile gegebenenfalls nachgeführt werden.
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Die Relativbewegung der Seile 14, 15 zueinander zum Schwenken der Greifklinken könnte durch den Einsatz von je einem separaten Antrieb und einer separaten Seiltrommel sowie Führungsrolle für jedes Tragseil 14 und jedes Hilfsseil 15 realisiert werden. Erfindungsgemäß wird je eine gemeinsame Seiltrommel 21 für ein Paar von Seilen 14, 15, die an derselben Greifklinke befestigt sind, verwendet. Dadurch ist eine völlig synchrone Vertikalbewegung beider Seile 14, 15 bei der Rotation der zugehörigen Seiltrommel 21 sicher gestellt. Die Relativbewegung zum Schwenken der Greifklinke wird ausgelöst, indem eine kleine Hilfsrolle 27 in den Seilweg des Hilfsseiles 15 eingebracht wird und diesen Seilweg dadurch verlängert (5). Im Falle eines belasteten Unterstützungssystems mit vollständig nach innen geschwenkten Greifklinken 18 im Kontakt mit dem Bi-Konus 13 werden die kleinen Hilfsrollen 27 vollständig aus dem Seilweg der Hilfsseile 15 entfernt und stören deswegen auch nicht die Gewichtsmessung zur Bestimmung der Unterstützungskraft der Unterstützungseinrichtung (4).
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Besonders vorteilhaft ist auch die Verwendung einer gemeinsamen Antriebswelle 23 für alle Seiltrommeln 21, wodurch der völlig synchrone vertikale Lauf aller Seile 14, 15 und Greifklinken mit einem einzigen Antrieb 8 bewirkt werden kann. Eine zweite Antriebswelle 22 dient zusammen mit dem unabhängigen Antrieb 9 der Seiltrommel 7 zum Aufwickeln des Ziehseiles 6. Durch eine Steuerung der Antriebe 8 und 9 für die Antriebswellen 22, 23 unter Einbeziehung der Gewichtssignale der Wägung der Führungsrollen 24, 25 kann somit der gesamte Vorgang der Lastübernahme vom Ziehseil 6 auf die Tragseile 14 der Unterstützungseinrichtung kontrolliert werden. Eine dritte Antriebswelle 26 kann unter Verwendung eines relativ schwachen und einfachen Antriebs die Bewegung der kleinen Hilfsrollen 27 in den Seilweg der Hilfsseile 15 auslösen, wenn die Unterstützungseinrichtung unbelastet ist (5). Dadurch werden die Hilfsseile 15 relativ zu den Tragseilen 14 um einen definierten Weg nach oben bewegt, was zu einem Schwenken der Greifklinken nach außen führt. In dieser Wartestellung der Greifklinken 17 kann die Unterstützungseinrichtung durch eine synchrone Aufwärtsbewegung aller Seile 14, 15 in eine Ruheposition gebracht werden.
