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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kristallziehanlage mit einem einen Boden aufweisenden Kessel, einem Tiegel im Kessel zur Aufnahme einer Schmelze, einer hohlzylindrischen Heizeinrichtung, die den Tiegel umgibt, einer Seitenisolation, die die Heizeinrichtung außen umfasst, und einer Bodenisolation, die unterhalb des Tiegels angeordnet ist.
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Eine derartige Anlage ist in der
DE 195 39 316 A1 beschrieben. Diese Schrift zeigt auch, dass der Kessel mit einem Schutzgas geflutet wird, das zunächst auf die Schmelzoberfläche geleitet und von dort über den Rand des Tiegels durch einen von zwei koaxial angeordneten Hohlzylindern gebildeten Ringspalt in Richtung des Kesselbodens strömt, wo es durch Austrittsöffnungen den Kessel verlässt. Auf diese Weise wird der aus einem Graphit bestehende Heizer vor Korrosion durch aggressive Bestandteile des Schutzgases geschützt.
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Um eine gleichmäßige Abdeckung der Schmelzoberfläche mit dem Schutzgas zu erreichen, ist es notwendig, dass die Strömung in jede radiale Richtung gleich ist. Dies setzt insbesondere voraus, dass die Breite des Ringspaltes über den Umfang konstant ist.
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Im Stand der Technik ist daher vorgesehen, dass sich die beiden Hohlzylinder an der Außenseite des Heizers befinden, so dass das Schutzgas zunächst über die Oberkante des Heizers strömen muss, um in den Ringspalt zu gelangen. Dies lässt aber keine gleichmäßige radiale Verteilung der Schutzgasströmung zu. Außerdem gelangt ein Teil des Schutzgases auch an die Innenseite des Heizers, was zusätzliche Maßnahmen zum Korrosionsschutz notwendig macht.
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Die Erfindung beruht daher auf der Aufgabe, eine Heizeinrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der eine gleichmäßige radiale Verteilung der Schutzgasströmung erzielt wird und bei der der Heizer vor Korrosion geschützt ist.
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Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass die Heizeinrichtung einen Heizer, einen zylindrischen, zwischen dem Heizer und dem Tiegel angeordneten Schutzschild und einen Tragring aufweist, so dass ein Ringspalt zwischen dem Tiegel und dem Schutzschild ausgebildet ist, und dass zur Abstützung des Schutzschilds am Kesselboden wenigstens drei Tragstifte zwischen dem Kesselboden und dem Tragring vorgesehen sind, die die Bodenisolation durchdringen.
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Die aus einem weichen Material bestehende Bodenisolation kann weder das Gewicht des Schutzschildes aufnehmen noch kann sie verhindern, dass der Schutzschild gegenüber der Achse der Anlage kippt, so dass die Ringspaltbreite über den Umfang variiert und damit kein gleichmäßiger Gasstrom über den Umfang erzielt werden kann.
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Vielmehr wird der Schutzschild von den Tragstiften getragen, die dessen Gewicht aufnehmen und in den Boden des Kessels ableiten können.
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Um die Aufgabe erfüllen zu können, werden die Tragstifte präzise mit einer bestimmten Höhe gefertigt. Die Verwendung z. B. eines Kohlefaserverbundwerkstoffes erlaubt eine solche präzise Fertigung. Da die Tragstifte somit eine genau auf die Kristallziehanlage abgestimmte Höhe aufweisen, ist eine exakte vertikale Ausrichtung der Heizeinrichtung gegeben.
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Vorzugsweise steht der Schutzschild auf dem Tragring, wobei dieser auf den Tragstiften aufliegt. Der Schutzschild verhindert, dass das Gas, mit dem der Kessel geflutet wird, an den Heizer gelangt, so dass der Graphit, aus dem der Heizer besteht, nicht korrodieren kann.
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Um den Heizer zu kapseln, ist zusätzlich zum inneren Schutzschild eine äußere Wand vorgesehen, die zusammen mit dem Schutzschild und dem Tragring ein Gehäuse für den Heizer bildet.
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Um auch die Bodenisolation zu zentrieren, kann diese sowohl an der Kesselwand abgestützt sein, aber auch zusätzlich einen Kragen aufweisen, der in eine Vertiefung im Boden des Kessels eingreift.
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Zur Zentrierung des Schutzschildes werden die Tragstifte, die die Bodenisolation durchdringen - jeweils bezogen auf die radiale Richtung - sowohl am Kesselboden als auch an dem Tragring in eine Passung fixiert.
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Zur Realisierung der radialen Fixierung sind die Tragstifte passgenau in Aufnahmen im Boden des Kessels eingesetzt.
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Ebenso besitzt auch der Tragring Aufnahmen, in denen die jeweils anderen Enden der Tragstifte passgenau eingesetzt sind.
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Vorzugsweise ist eine geschlossene Isolation vorgesehen. Dazu besitzt die Seitenisolation Kontakt mit der Bodenisolation. Sie sitzt dazu auf dem Rand der Bodenisolation auf.
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Im Folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispieles die Erfindung näher erläutert werden. Dazu zeigen:
- 1 als Übersicht einen Querschnitt durch eine Kristallziehanlage
- 2 als Detail einen Querschnitt durch den Bodenbereich einer Kristallziehanlage gemäß 1.
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Gemäß der 1 besteht eine Kristallziehanlage aus einer Vakuumkammer, die von einem Kessel 1 gebildet ist. Innerhalb des Kessels 1 ist ein Tiegel 3 angeordnet, in dem sich eine Schmelze 2, z. B. aus Silizium, befindet.
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Mittels eines Heizers 4, der den Tiegel 3 koaxial umgibt, wird das stückig in den Tiegel eingegebene Material eingeschmolzen und die dadurch entstehende Schmelze 2 anschließend auf einer für den Ziehvorgang optimalen Temperatur gehalten. Dazu ist der Heizer - was hier nicht dargestellt ist - über Elektroden mit einer Stromzuführung verbunden.
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Mittels einer Kristallziehvorrichtung 6 wird ein Kristall 5 aus der Schmelze 2 gezogen. Der Heizer 4 hat dabei die Aufgabe, die Temperatur so einzustellen, dass der Temperaturgradient im Kristall 5 möglichst gleichmäßig ist, so dass in den Kristall 5 möglichst keine Fehlstellen eingebaut werden.
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Der Tiegel 3 steht auf einer Plattform, die von einer Tiegelhubvorrichtung 7 angehoben und ggf. abgesenkt wird, so dass die Schmelzoberfläche auf möglichst gleicher Höhe in Bezug zum Kessel 1 verbleibt.
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In 1 ist die Ziehbewegung des Kristalls mit 8 angegeben, die Hubbewegung des Tiegels mit 9.
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Um die Schmelzoberfläche zu schützen, wird auf diese ein aus Argon bestehender Schutzgasstrom 10 gelenkt, der dazu zunächst seitlich am Kristall 5 vorbeiströmt. Sobald er auf die Schmelzoberfläche trifft, wird er dort seitlich abgelenkt und gelangt, den Tiegelrand überströmend, in einen Ringspalt 13 zwischen dem Tiegel 3 und dem Heizer 4, von wo er zum Boden des Kessels 1 gelangt, wo er über ein oder mehrere Auslässe 11 den Kessel 1 verlässt.
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Zwischen dem Heizer 4 und dem Tiegel 3 befindet sich ein zylindrischer Schutzschild 12, der den Heizer 4 gegenüber dem Tiegel 3 abschirmt. Der Schutzschild 12 ist Teil eines Gehäuses, in dem der Heizer 4 aufgenommen ist.
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Das Gehäuse besteht aus dem schon erwähnten innen liegenden Schutzschild 12 sowie einer äußeren ebenfalls zylindrischen Wand 12a. Dabei steht der Schutzschild 12 auf einem Tragring 16, während die äußere Wand 12a nach unten über den Tragring 16 hinausreicht und auf einer Bodenisolation 14 aufliegt. Dabei verbleibt zwischen der äußeren Wand 12a und dem Tragring 16 eine kleine Lücke, so dass der Tragring 16 von der äußeren Wand 12a auch bei einer Wärmeausdehnung entkoppelt bleibt. An den oberen Enden des Schutzschildes 12 und der äußeren Wand 12a befindet sich ein Deckel 20, so dass der Heizer 4 in einem rotationsymmetrischen Gehäuse eingeschlossen ist. Der Deckel 20 dient außerdem der Befestigung eines den Kristall 5 umgebenden Hitzeschildes 21.
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Die Elektroden zur Stromversorgung des Heizers sind durch Öffnungen im Tragring 16 hindurchgeführt und dienen neben der Stromversorgung des Heizers 4 auch zu dessen Abstützung.
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Um eine möglichst gleichmäßige Abdeckung der Schmelzoberfläche zu erreichen, sollte die Dichte des Gasstromes in allen Sektoren der Schmelzoberfläche möglichst gleich sein, d. h. die Strömungsdichte soll zur Achse 18 der Kristallziehanlage rotationssymmetrisch sein.
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Da die Strömungsdichte in einem Sektor von der Breite des Ringspaltes 13 in diesem Sektor bestimmt wird, muss der Ringspalt 13 zwischen der Tiegelwand und dem Schutzschild 12 gleichmäßig breit sein, um die gewünschte rotationssymmetrische Verteilung der Strömungsdichte zu erzielen. Dies bedeutet wiederum, dass der Tiegel 3 und der innere Schutzschild 12, möglichst koaxial zueinander angeordnet sind.
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Das Gehäuse für den Heizer 4 und der Tragring 16 befinden sich oberhalb der auf dem Boden des Kessels 1 aufliegenden Bodenisolation 14, wobei diese bis nahe an den Tragring 16 reicht.
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Um die Heizeinrichtung herum ist eine hohlzylindrische Seitenisolation 15 vorgesehen. Um diese zu zentrieren, ist die Verlängerung der äußeren Wand 12a, die über den Tragring 16 hinausreicht, an einem rotationssymmetrischen Absatz der Bodenisolation 14 angelegt. Da der Absatz gegenüber dem Außenumfang der Bodenisolation 14 nach innen abgesetzt ist, ist es möglich, hinter der äußeren Wand 12a die Seitenisolation 15 anzubringen, die bis zur Bodenisolation 14 reicht, so dass eine durchgehende topfförmige Wärmeisolierung gebildet ist.
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Um zu verhindern, dass die Bodenisolation 14 sich verschiebt, ist in ihrem zentralen Bereich ein Kragen 22 vorgesehen, der in eine Vertiefung 23 im Boden des Kessels 1 eintaucht und sich an deren Innenwand anlegt.
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Damit die Auslässe 11 im Boden des Kessels nicht von der Bodenisolation 14 verschlossen werden, sind in der Bodenisolation 14 mit den jeweiligen Auslässen 11 fluchtende Kanäle vorgesehen.
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Um die koaxiale Ausrichtung des Schutzschildes 12 zu stabilisieren und dessen Kippen gegenüber der Achse 18 der Kristallziehanlage zu verhindern, werden gemäß der Detaildarstellung der 2 unterhalb der Heizeinrichtung wenigstens drei Tragstifte 17 vorgesehen, die gleichmäßig auf dem Umfang verteilt zwischen dem Boden des Kessels 1 und dem Tragring 16 angeordnet sind. Aus Vereinfachungsgründen sind die Tragstifte nur in der Detaildarstellung der 2 nicht aber in der Übersichtsdarstellung der 1 gezeigt. Die Tragstifte 17 sind zylinderförmig und besitzen jeweils eine Achse 19. Die Tragstifte 17 zentrieren somit den Tragring 16 und damit den an ihm befestigten Schutzschild 12, der somit koaxial zum Tiegel 3 ausgerichtet ist. Die von dem Tragring 16 entkoppelte äußere Wand 12a wird unabhängig davon durch den Absatz der Bodenisolation 14 zentriert. Damit wird erreicht, dass der Schutzschild 12 exakt koaxial zur Tiegelwand ausgerichtet ist, ohne dass eine Beeinträchtigung durch die groben Maßtoleranzen der Isolationsteile erfolgt.
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Die Tragstifte 17 sind in entsprechenden Ausnehmungen im Boden des Kessels 1 und in entsprechenden Ausnehmungen an der Unterseite des Tragrings 16 eingesteckt, so dass eine radiale Verschiebung ausgeschlossen wird. Gleichzeitig können sie das Gewicht des Schutzschildes 12 aufnehmen und in den Boden des Kessels 1 einleiten.
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Dabei sollten die Tragstifte 17 relativ dünn ausgeführt werden, damit ihre gegenüber der Bodenisolation 14 erhöhte Leitfähigkeit nicht ins Gewicht fällt.
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Unter dem Tiegel kann auch ein Bodenheizer vorgesehen werden, der an den Tragring 16 anschließt. Wenn dies der Fall ist, ist die Bodenisolation 14 im inneren Bereich etwas abgesenkt, damit die Heizstäbe des Bodenheizers nicht in Kontakt mit der Bodenisolation 14 gelangen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kessel
- 2
- Schmelze
- 3
- Tiegel
- 4
- Heizer
- 5
- Kristall
- 6
- Kristallziehvorrichtung
- 7
- Tiegelhubvorrichtung
- 8
- Kristallziehbewegung
- 9
- Tiegelhubbewegung
- 10
- Schutzgasstrom
- 11
- Auslässe
- 12
- Schutzschild
- 12a
- äußere Wand
- 13
- Ringspalt
- 14
- Bodenisolation
- 15
- Seitenisolation
- 16
- Tragring
- 17
- Tragstifte
- 18
- Achse der Kristallziehanlage
- 19
- Achse eines Tragstiftes
- 20
- Deckel
- 21
- Hitzeschild
- 22
- Kragen
- 23
- Vertiefung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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