DE1619774A1

DE1619774A1 - Schwimmerantrieb,insbesondere fuer Kristallzieheinrichtungen

Info

Publication number: DE1619774A1
Application number: DE19671619774
Authority: DE
Inventors: Dessauer Ralph Gunther
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1966-07-01
Filing date: 1967-06-30
Publication date: 1971-06-16
Also published as: FR1526560A; US3493348A; GB1143325A

Description

Augsburg, den 29. Juni 19S7

International Business Machines Corporation, Armonk, IT. T. 10 504-, Vereinigte Staaten von Amerika

Schwimmerantrieb, insbesondere für Kristallzieheinrichtungen

Die Erfindung betrifft Schwimmerantriebe, bei welchen eine Antriebsstange durch Auftrieb bewegt wird. Insbesondere beinhaltet die Erfindung die Anwendung derartiger Antriebe auf Einrichtungen zum automatischen Ziehen länglicher Kristalle aus Schmelzen bestimmter Werkstoffe«

Bs ist bereits seit einer Reihe von Jahren bekannt, Kristalle durch Ziehen aus Schmelzen zu züchten. Erst in jüngerer 2eit ist Jedoch der Bedarf an großen Mengen von

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Kristallmaterial höchster Qualität stark angestiegen. Insbesondere die Ealbleiterindustrie benötigt in steigendem Maße derartige Kristalle. Das Ziehen bzw. Züchten von großen Einkristallen unter Einhaltung enger Durchmessertoleranzen stellt also einen wichtigen Schritt bei der Massenfertigung von Halbleiterbauelementen dar.

Eine der verbreitetsten Techniken beim Züchten von Halbleiter-Einkristallen ist die Czochralski-Methode des TiegelZiehens ο Hochreines Halbleitermaterial wird in einem Tiegel erschmolzen und die Temperatur gerade über dem Erstarrungspunkt des betreffenden Materials gehalten. Ein in bestimmter V/eise orientierter Kristallkeim wird dann in die Schmelze eingetaucht und der Keim langsam aus der Schmelze gehoben. Die Schmelzenflüssigkeit benetzt dabei den Kristallkeim aufgrund der Oberflächenspannung und der Adhäsionskräfte und bei Einstellung ganz bestimmter Betriebsbedingungen wächst der Kristall in dem Maße, in welchem er langsam aus der Schmelze gezogen wird.

Der Durchmesser von nach der Czochralski-Methode gezogenen Kristallen hängt von einer Reihe verschiedener Bedingungen ab. Genaue und fortwährende aufmerksame überwachung des Vorganges durch in hohem Maße fachkundige

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Bedionun^spersoneii ist erforderlich, um den Kristelldurchraesser in ^mehnb^reii Grenzen konstant zu halten. M?n hat beroits versucht, die liotv/endigkeit besonders gut ausgebildeter Bedieiiunjrspersonen dadurch zu umgehen, daß nan den Sielnnec!ir.nis!HU3 eine automatische Tiegeleinrichtung zuordnete, vrelche die Züchtung länglicher Kristalle durch Ziehen r.us dar ocrjnelze gestattete.

Hierbei ist vorgeschlagen v/orden, bestimmte, fib? den Jeweiligen Betriebszustend charakteristische Kefigrö^eii von Cier jjclmielze abzuleiten und zur Bteuerung bestimmter, d^s wacrgtun des Kristalls beeinflussender Antriebe zu ver-'.vendene JHs Ii-t sicli Jedoch Iiereusgestellt, daß es auch bei Verv-ciiduiig von Steuervorrichtungen gemäß diesem älteren Vorschlag außerordentlich schwierig ist, die Pnssentrennflc.che ZT/i sehen der ochmelze und dem Er-istpil mit Bezug auf die Ii. eis vorrichtung in einer bestimm teil konstanten Höhe zu hr.lten. Dies ist jedoch zur Erzielung einer gleich förmigen Temperatur- bzv;« ffärin evert eilung besonders wichtig.

Durch die Erfindung soll demgemäß die Aufgabe gelöst v/erden, bei öclii/iiara ir antrieb en mit Antriebsstange diese jeweils in Abhängigkeit von einer veränderlichen, auf sie

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wirkenden Gegenkraft in "bestimmte 3tellungen "bewegen zu ' können, so daß sich derartige Antriebe "besser als "bisher für Einrichtungen zum Züchten länglicher Kristalle durch Ziehen aus einer Schmelze eignen.

In "besonderer Anwendung auf solche Kristeilzieheinrichtungen soll durch die Erfindung infolgedessen auch die Aufgebe gelöst werden, wahrend des gesamten Kristrllziehvorganges die Trennfläche zwischen Schmelze und Kristall stets in einer bestimmten Lage zu halten,,

Im Sinne der Lösung der oben angegebenen Aufgebe beinhaltet die Erfindung einen Schwimmerantrieb mit einer senkrecht bewegbaren Antriebsstauge, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß an einem Ende dieser Stange ein Gegenstand von veränderbarem Gewicht angebracht ist und daß mit der Stenge außerdem eine Schv/immeranordnung verbunden ist, deren Schwimmer sich innerhalb eines mit !Flüssigkeit gefüllten Tanks befindet und durch seine Auftriebskraft vermittels der Antriebsstange den Gegenstand entsprechend dessen Gewichtsänderungen derart anliebt oder absenkt, daß er stets eine bestimmte Bezugshölie einnimmt.

Vorzugsweise sind an dem Flüssigkeitstank des Schwimmer-

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antrie"bs Federnd, tt el befestigt, welche eine konstante

Kraft erzeugen und zum Ausgleich des Gewichtes des Schwimmers und der damit verbundenen übrigen Teile der gesamten Einrichtung dienen.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des erfindungs gemäßen Schwimmerantriebes in Verbindung mit Einrichtungen zum Ziehen von Kristallen aus Schmelzeno In diesem Falle hat der Gegenstand von veränderbarem Gewicht die Form des die Schmelze enthaltenden Tiegels, welcher am oberen Ende der Antriebsst^nge befestigt ist, wobei die am unteren
Ende der ^ntriebsstange angreifende Schwimmeranordnung
die ^ntriebsst^rnge während des Kristallziehens derart in senkrechter Pachtung bewegt, daß die Trennfläche zwischen Schmelze und Kristall stets auf einer bestimmten konstanten Höhe bleibt. Dax* Tiegel ist von einer Heizvorrichtung umgeben, 7/slohe die Schmelze im. Bereich der Trennfläche
zwischen Schmelze und Kristall gerade über dem Schmelzpunkt des in dem Tiegel befindlichen Merkstoffes halte Es·ist
besonders wichtig, d<ⁿß diese Trennfläche im Bereich eines gleichförmigen Temperaturniveaus gehalten wird» Durch die Erfindung wird erreicht, daß die Trennflache zwischen
Schmelze und Kristall immer die gleiche Stellung einnimmt, da der Tiegel bei fortschreitendem Verbrauch der Schmelze

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während des Zi ehvor ganges "vermittels der Auf trieb skr aft des Schwimmerantrieb es allmählich angehoben wird. Die Trennfläche zwischen Schmelze und Kristall -wird daher insbesondere mit Bezug auf die Heizvorrichtung auf gleichbleibendem Fiveau gehalten, wodurch die ISeiaperaturverteilung an der genannten Trennfläche wehrend des gesamten Kristallziehvorganges fast ganz genau konstant gehalten werden kann» Hierdurch wird die Qualität der .gezüchteten Kristalle erhöht, da die Anzahl der darin enthaltenen Störstellen oder Kristallbaufehler vermindert wird.

-Weitere Merlanale und Vorteile der Erfindung; ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung "bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung, welche einen schematischen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Schwimmerantriebes solcher Ausführung, darstellt= . - .

" Die Zeichnung zeigt die Erfindung in ihrer Anwendung auf eine Einrichtung zum Ziehen oder Züchten von Hr\lb-1eiterkristallen, beispielsweise von Silisiuia-iliizkristallen-In einem aus geeignetem Materini, "gefertigten·, beispielsweise aus geschmolzenem Quarz bestehenden Behälter odex¹ Siegel 12 befindet sich eine Siliziwacliarge 1O„ TJm das

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Silizium in geschmolzenem Zustand zu halten, ist eine Heizvorrichtung» '"beispielsweise ein vYiderstandsheizer vor gesell en _? welcher dos Silizium im Bereich der Trenn*- xl.^Hche zwischen Schmelze und Kristall gerade oberhalb des Erstarrungspunktes von Silizium häit„ Der Behälter ist an einem Ende einer in senkrechter Richtung bewegbaren W'elle 16 gehaltert. Die Welle kann jedoch auch sowohl drehbar als auch senkrecht verschiebbar gelagert sein, '■■Tie dies in der Zeichnung angedeutet ist» Mittels einer in dar Zeichnung nicht dargestellten Hrlterung ist an einem Ende einer Eristallziehwelle 18 ein Kristallkeim befestigt. Der Kristallkeim ist in die Schmelze eingetaucht und wird zürn Zwecke des Ziehens eines Er is ts Ils 20 aus der Schmelze hochgezogeii. Die "welle 18 dient demgemäß sowohl zur Halterung fii'r den Kristall als auch zum Anheben desselben v/c-lirend des Ziehens. Sie wird mittels eines Kr is ta 11 zieh-* entriebes 22 langsam gehoben. Sine Ofenglocke 24 umgibt sowohl den 2ieg;el als auch die Heizvorrichtung.

Der Hubantrieb für die senkrechte Bewegung der Welle während des Zrisfellziehvorganges wird durch einen erfindun^sgemäfen Schwimmerantrieb 30 gebildete Dieser enthält einen Schwimmer 32, der zum Zwecke der senkrechten Bewegung der Meile 16 an dieser befestigt ist» Der

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Schwimmer 32 taucht in eine !flüssigkeit 34 ein, die sich innerhalb eines Flüssigkeit st anks 36 "befindet. Der Schwimmer 32 ist über eine Einrichtung 40 zur Erzeugung einer konstanten Kraft federnd an einen Deckel 3-3 des Flüssigkeitstanks 36 angeschlossen. Durch diese konstante Kraft wird ungefähr das Gewicht des Schmmmers 32, der "Jelle 16 und des Behälters bzw. "Tiegels 12 aufgenommen. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung hat die Einrichtung 40 zur Erzeugung dieser konstanten Kraft die Form "von flachen Spiralfedern. Zum Ausgleich des Gewichtes des in die Flüssigkeit 34 eingetauchten Schwimmers, der Welle und des "Tiegels können zwei oder mehrere derartige, eine .konstante Kraft erzeugende Federn 40 vorgesehen sein»

Verringert sich das Gewicht der Schmelze aufgrund des Wachstums des Kristalls 20, so steigt der Schwimmer 32 allmählich hoch und hebt dadurch die Welle 16 an, welche ihrerseits den Tiegel 12 so weit hebt, daß die Trennflache zwischen,Schmelze und Kristall mit .Bezug auf die Heizvorrichtung 14 stets auf gleichbleibender-Höhe gehalten wird.

Bei Anwendung des Kristallziehverfahreiis nach Czochralski ist es zweckmäßig, den Tiegel bzw. den Behälter für die Schmelze zu drehen= Demgemäß sind Antriebsmittel

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■vorgesehen, welche die ffelle 16 und damit auch den Tiegel in Umdrehung versetzen* Diese Antriebsmittel können ein eintrieb s zahnrad 52 enthalten, welches eine ..Hohlwelle 54-antreibt. Die .V/elle 16 ist mit der Hohlwelle' 54- über eine Keilwelle. 56 verbunden, durch welche eine senkrechte Bewegung der Welle 16 und gleichzeitig eine Drehung der Vielle 16 mittels der Hohlwelle 54- ermöglicht wird. Bei der vorliegenden AusführungsfOrm der Erfindung ist die Hohlwelle 54- in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise durch Schrauben 58 an dem Deckel 38 des B¹IUs si gkeitstanks befestigt. Aus diesem Grunde werden bei, dieser Ausführungsform der Erfindung der Flüssigkeitstank und "der Schwimmer ebenfalls in Umdrehung versetzt.. Für den .Fachmann ist es 3edoch·selbstverständlich, daß der Tank und der Schwimmer nicht notwendigerweise auch gedreht- zu werden brauchen, so daß also auch entsprechende Abwandlungen des Antriebsmechanismus vorgenommen werden

Der gesamte Schwimmerantrieb 1st vorzugsweise innerhalb eines Kühlmantels 60 angeordnet, so daß die Dichte der Flüssigkeit des lanks auf einem bestimmten Wert gehalten werden kann. Dies ist besonders wichtag, da die Dichte der den Schwimmer umgebenden flüssigkeit die auf diesen wirkende Auftriebskraft beeinflußt* Besondere Be-

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deutung erlangt der Kühlmantel, wenn Flüssigkeiten mit sehr steiler Temperatur-Dichte-Kennlinie, beispielsweise also Perfluoramine oder Äther, verwendet werden. Die" " '. genannten Fluor-Ghemikalien haben eine größere Dichte als Wasser und ermöglichen daher geringere Abmessungen des Schwimmers und der anderen Teile der Schwimmeranordnung. An dem Kuhlmantel 60 können in den Zeichnungen nicht dargestellte Einlaß- bzw.- Auslaßanschlüsse .zur Erzeugung eines Kuhlwasserumlaufs vorgesehen sein. .= . ' -

Bei 65 ist in der Zeichnung eine Füllvorrichtung angedeutet, welche Messungen anstellt, wie weitder.Schwimmer angehoben ist und hieraus eine. Aussage bildet, wieviel . Schmelze sich noch in dem Tiegal 12 befindet bzw. wie hoch. ... der Flüssigkeitsspiegel im Tiegel noch ist. Diese Information wird entweder ständig an eine Bedienungsparson oder, an ein Anzeigegerät weitergegeben, welch, letzteres in. der Zeichnung nicht dargestelltist» Die Auswertung dieser Information ermöglicht die beste Kristallzüchtung» Es kann jedoch auch ein linearer Geschwindigkeits-Meßwertumformer verwendet werden, der die Hubgeschwindigkeit des ■ Schwimmers anzeigt. Dieser ergibt gleichzeitig eine ständige Anzeige des Kristelldtirchmessers, wann konstante Kristallzieligeschwindigkeit vorausgesetzt baw. aufrecht-

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erhalten wird,, Das Ausgangssignal des genannten Meßvrertirif orra'ers kami daher beispielsweise dazu verwendet werden, die Temperatur der Heizvorrichtung einzustellen und damit dan Exist"!!durchmesser zu" steuern _o

Bei den normalerweise zur Anwendung kommenden niedrigen Drehzahlen sind die cuf den Flüssigkeitsspiegel wirkenden Fliehkräfte nur gering. Die -hierdurch etwa entstehenden Sinflüsse können nötigenfalls dadurch ausgeglichen werden, daß die Striadhöhe des Plüsslgkeitstanks eingestellt wird, 7/enn der SchwiHSxer sich mit der gewünschten JLrbeitsdrehzshl dreht. .

Ira folgenden seien kurz die notwendigen Beziehungen f'ir die Bedingung abgeleitet, daß der Tiegel mit konstanter Geschwindigkeit angehohen ^verde, welche der Geschwindigkeit des Abfalles des Flüssigkeitsspiegels innerhalb des Tiegels gleich ist, wenn konstanter Querschnitt des Tanks, des Schwimmers und des Tiegelraumes vorausgesetzt werden, ■Jenn der Schwimmer aus.der Flüssigkeit aufsteigt, so fällt der Flüssigkeitsspiegel ab und hebt den Anstieg des ÖchY/immers zum Teil auf. Selbstverständlich kann der Anstieg des Schwimmers niemals ganz aufgehoben werden, da

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in diesem Falle das System in den Anfangszustand zurückkehren würde.

Die Grundgleichung für die vorliegende Anordnung gemäß der Erfindung ergibt sich aus folgendem:

Es wird gefordert, daß der Flüssigkeitsspiegel der Schmelze mit Bezug auf den Flüssigkeitstank der Schwimmeranordnung keine.Verschiebung Δ d ,. erleide= Es gilt daher:

Verschiebung des Flüssigkeitsspiegels der Schmelze im Tiegel, welche mit Δ d / bezeichnet wird, kann durch das Schmelzegewicht Δ.Έ, die Querschnittsfläche der Schmelze A „ und die Dichte der Schmelze f* ausgedrückt werden:

Wo - α—r-_m

Unter Verwendung dieser Beziehung kann die senkrechte Verschiebung des Schwimmers in dem Flüssigkeitstank, welche mit Δ d^ iju bezeiclmet wird, folgendermaßen ausgedrückt werdens

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Betrachtet man nur den Flüssigkeitstank und den Schwimmer, so können nach dem Archimedischen Prinzip die Änderung Δ W des Schmelzengewichtes durch die senkrechte Verschiebung des Schwimmers in der ihn umgebenden Flüssigkeit Δ elf/ , die Querschnittsflache des Schwimmers ■/jL·. unddie Dichte der im Tank befindlichen Flüssigkeit ? in folgender . Weise ausgedrückt werden:

= Ää_£/0 A

Unter Verwendung dieser-Gleichung und unter Beachtung der Tatsache, daß das Gesamtvolumen der im_:Tank befindlichen Flüssigkeit während des Betriebes unveränderlich bleibt, können die senkrechte Verschiebung des Schwimmers im Tank durch die Veränderung de-g Schmelzengewichtes, di© Dichte der Flüssigkeit im Tank"-und die Quer schnitt sflächen'von Tank und Schwimmer, welche mit JL ", und Ä„ bezeichnet werden, folgendermaßen ausgedrückt werdenϊ .

Di_;e Gleiöhu-ngen, (1) und ,(2) werd.en- ,zusammengefaßt und zu folgendem Ergebnis j · ■",, ._v

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S¹Ur -verschiedene Größen von Tiegeln 12 oder verschiedene Dichten der Schmelze Ί0 ergibt sich auch ein unterschiedliches Verhältnis von Gewichtsänderung je Iiängeneinheit der Anstiegsverschiebung. Unter Beachtung der angegebenen Grundgleichungen kann dies durch entsprechende Einstellungen berücksichtigt werden.· Diese Einstellungen werden leicht dadurch erreicht, daßman die wirksame-Querschnittsfläche A.. des Tanks _;durch Eintauchen oder Zurückziehen.von Verdrängerkörpern oder Stangen 70 ■ verändert» Auf diese Weise ergibt sich, daß die gesamte Anordnung eine Feder mit veränderlicher Federkonstante ist.

Aus Vorstehendem ist zu ersehen, daß der erfindungsgemäße Schwimmerantrieb im Aufbau verhältnismäßig einfach ist und besonders dort mit Vorteil angewendet werden kann, wo eine gleichförmig veränderbare senkrechte Kraft zur Erzeugung veränderbarer Antriebsgeschwindigkeiten erforderlich ist, ohne daß Reibungs- oder Ermüdungserscheinungen auftreten, wie sie Federn im allgemeinen anhaften, Die Anwendung des erfindungsgemäßen Antriebs ist besonders dort vorteilhaft, wo es gilt, das Oberflächenniveau einer Flüssigkeit odör eines sehüttfähigen Gutes innerhalb eines Behälters konstant zu halten, wenn Flüssigkeit oder schüttfähiges Gut dem Behälter zugeführt oder vom Behälter abgeführt wird.

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Wie "bereits gesagt, "bewährt sich, der erfindunggemäße Schwimmerantrieb insbesondere als Antrieb für automatische Kristallziehanlagen.0 ' "- \

Die Erfindung wurde zwar unter Hinweis auf ein "bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben, doch bietet sich dem Fachmann im Rahmen der Erfindung noch eine Vielzahl •von Abvv-andlungsmöglichfeeiten sowohl hinsichtlich des Aufbaues als auch hinsichtlich, der Einzelheiten an₀

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Claims

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Pat entansprüche

ΙΌ Schwimmerantrieb mit einer senkrecht bewegbaren Antriebsstange, dadurch gekennzeichnet., daß an einem Ende dieser Stange (16) ein Gegenstand (10, 12) "von veränderbarem Gewicht angebracht ist und daß mit der Stange außex^dem eine Schwimmeranordnung (32, 34-, 36) verbunden ist, deren Schwimmer (32) sich innerhalb eines mit !Flüssigkeit (34-) gefüllten Tanks (36) befindet und durch seine Auftriebskraft vermittels der Antriebsstange den Gegenstand entsprechend dessen Gewichtsänderungen derart anhebt oder absenkt, daß er stets eine bestimmte Bezugshöhe einnimmt„

2. Schwimmerantrieb ,nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand (10, 12) die ÜOrm eines am oberen Ende der Antriebsstange (16) befestigten-, eine Schmelze (10) enthaltenden Behälters (12) hat und daß der Schwimmer (32) mit dem unteren Ende der Antriebsstange verbunden ist. '

3° Schwimmerantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Flüssigkeitstank (3S) Mittel (40) zur Erzeugung einer konstanten Kraft angre,ifen, welche im

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■wesentlichen das Gewicht des Schwimmers (32), der Antriebsstange (16) und des an deren oberem Ende angeordneten Behälters (12) ausgleicht, so daß nur das Gewicht der in dem Sehälter befindlichen Schmelze (10) selbst von der Antriebskraft des Schwimmers aufgebracht werden muß, und daß außerdem Verdrängerelemente (70) zur Veränderung der wirksamen Querschnittsfläche des Flüssigkeitstanks (36) ^: vorgesehen sind*

4-0 Anwendung eines Schwimmer antrieb es nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf Einrichtungen zum Züchten länglicher Kristalle durch Ziehen aus- einer in einem Tiegel befindlichen Schmelze, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (12) an der senkrecht bewegbaren Antriebsstange (16) des Schwimmerantriebes angeordnet ist und daß außerdem ein an der Antriebsstange angreifender■Hubantrieb (30, 32, 3^> 36) vorgesehen ist, welcher während der mittels eines besonderen Kristallziehantriebes (22) erzeugten Herausbewegüng des Kristalls (20) aus der Schmelze (1ö)^; den Tiegel derart anhebt, daß die Trennfläche z?<d sehen Kristall und Schmelze stets auf einer bestimmten konstanten Höhe bleibt.

5» Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsstange" (16) und der damit verbundene Schmelze-

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tiegel (12) außerdem mittels eines gesonderten Antriebes (50, 52, 54) in Umdrehung, versetzbar sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß der an-der Antriebsstange (16) des Schwimmerantrieb es angreifende Hubantrieb (30, 32, 34, 36). an dem innerhalb des Flüssigkeitstanks (36) befindlichen Schwimmer (32) gebildet wird und daß dieser die Antriebsstange und den Tiegel aufgrund seiner Auftriebskraft im Maße des ifachsens des Kristalles (20) langsam anhebt.

7o Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (12) von einer Heizvorrichtung (14) umgeben ist, welche im Bereich der Trennfläche zwischen Kristall (20) und Schmelze (10) ein gleichförmises Temperaturniveau erzeugt, und daß der Hubantrieb (30, 32, 34-, 36) den Tiegel derart anhebt, daß die genannte Trennfläche auf Jler örtlichen Höhe dieses gleichförmigen Temperaturniveaus verbleibt. .

8ο Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem Flüssigkeitstank- (36) der Hubvorrichtung angreifenden Mittel (40) zur Erzeugung einer konstanten Kraft, welche im wesentlichen das- Gewicht des. -

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dchwirasiers (32), der Antriebs stange (16) und des Tiegels (12) PU3gleicht, die IForia von ledern-oder anderen Hvaftausübern lieb en« . '

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