DE1961545B2

DE1961545B2 - METHOD FOR DIRECTLY SOLIDIZING A MELT

Info

Publication number: DE1961545B2
Application number: DE19691961545
Authority: DE
Inventors: Jean Saint Martin dHeres; Malmejac Yves Grenoble; Gallet (Frankreich)
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1968-12-18
Filing date: 1969-12-08
Publication date: 1972-11-30
Also published as: DE1961545C3; ES374363A1; FR1598493A; GB1244542A; NL6918967A; CH515070A; DE1961545A1; SE361136B; US3592455A; IL33413A0; BE741606A

Description

>/(m, C₀, D₁, D_s, ...)> / (m, C ₀ , D ₁ , D _s , ...)

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gerichtet Erstarrenlassen einer Schmelze und ist vor allem verwendbar, um durch Kristallisation, insbesondere in einem metallischen Lösungsmittel, Halbleitermaterialien, Kristalle mit einer nur geringen Fehlstellendichte und ultrareine Materialien mit erheblichen Abmessungen herzustellen.The invention relates to a method for the directional solidification of a melt and can be used above all, to through crystallization, especially in a metallic solvent, semiconductor materials, Crystals with only a low density of defects and ultra-pure materials with considerable dimensions to manufacture.

Es sind bereits zahlreiche Verfahren zur Züchtung von Kristallen aus einer geschmolzenen Materialmasse bekannt. Es sei hier daran erinnert, daß bei dem Kristallwachstum in nur einer Richtung eine größere Zahl von voneinander abhängigen Parametern eine Rolle spielt. Man kann jedoch diese Parameter in zwei Gruppen einordnen, von denen die eiste Gruppe im wesentlichen die mit Wärmephänomenen zusammenhängenden Parameter enthält und die zweite solche, welche andere als Wärmephänomene beschreiben.There are already numerous methods of growing crystals from a molten mass of material known. It should be remembered here that with crystal growth in only one direction, one larger number of interdependent parameters plays a role. However, you can do this Classify parameters into two groups, the first group essentially those with heat phenomena related parameters and the second those other than heat phenomena describe.

Da man jedoch im Verlauf des Verfahrens nur auf die Parameter einwirken kann, die durch die von der Bedienungsperson abhängigen äußeren Bedingungen festgelegt sind, d. h. insbesondere die nicht unmittelbar vom Reaktionsmilieu abhängigen G₁ und V, zeigt die obige Formel die Bedeutung einer Überwachung und außerordentlich genauen Regelung dieser Parameter. However, since one can only act on the parameters in the course of the process which are determined by the external conditions dependent on the operator, i.e. in particular the G ₁ and V which are not directly dependent on the reaction environment, the above formula shows the importance of monitoring and extremely precise Regulation of these parameters.

Wenn man sich die verschiedenen Verfahren und Vorrichtungen vergegenwärtigt, die bisher verwendet wurden, stellt man fest, daß sie sich schlecht für eine genaue und stabile Steuerung der Parameter G₁ und V eignen. Beispielsweise sei erinnert an die Methode von Bridgman, die in ihrer ältesten Form darin besteht, ein Schiffchen, das eine flüssige Masse des Materials enthält, durch einen von außen her erzeugten Temperaturgradienten senkrecht abzusenken, wobei sich die Erstarrungsfront der Flüssigkeit in der Masse von unten nach oben verschiebt. Der Wärmegradieni ist entweder durch einen einzigen Heizofen festgelegt, wobei der Gradient dann zwischen diesen Ofen und der Umgebung besteht, oder durch zwei bei versohifr denen Temperaturen befindliche heiße Zonen odei auch im Bereich eines Ofens mit bestimmtem Wärme profil durch eine verschiedene Zahl von Heizelemente! gegeben. Die Erstarrungsgeschwindigkeit ist in eine solchen Vorrichtung durch die Geschwindigkeit de Wärmeflusses bestimmt, die selbst von der Geschwin digkeit des Durchtritts durch den Tempcraturgradien ten abhängt. Daraus ergibt sich, daß, wenn man bei spielsweise das Schiffchen mit einer größeren Ge ?ch,vindigkeit als die des Wärmeflusses im flüssigeIf one considers the various methods and devices which have been used heretofore, it is found that they are poorly suited for precise and stable control of the parameters G ₁ and V. For example, one should recall Bridgman's method, which in its oldest form consists of vertically lowering a boat containing a liquid mass of the material by means of an externally generated temperature gradient, with the solidification front of the liquid in the mass moving from below shifts up. The heat gradient is determined either by a single heating furnace, the gradient then existing between this furnace and the environment, or by two hot zones at different temperatures or in the area of a furnace with a certain heat profile by a different number of heating elements! given. The rate of solidification in such a device is determined by the rate of heat flow, which itself depends on the rate of passage through the temperature gradient. From this it follows that if, for example, one uses the boat with a greater velocity than that of the heat flow in the liquid

3 43 4

Teil der Masse herauszieht, die Grenzfläche fest- Wärmekapazität aufrechterhalten wird, zu einemPart of the mass pulls out, the interface solid-heat capacity is maintained, to a

flüssig auf den Bereich hin verschoben wird, wo die Bereich unter dem Schmelzpunkt liegender Tem-liquid is shifted towards the area where the area below the melting point of temperatures

Umgebung der Masse am kältesten ist. Mit anderen peratur, die von einem regelbaren Nebenofen mitEnvironment of the crowd is coldest. With a different temperature, that of an adjustable secondary oven with

Worten ist in diesem Fall die Erstarrungsgeschwindig- geringer Wärmekapazität aufrechterhalten wird, mit-Words in this case is the freezing rate- low heat capacity is maintained, with-

keit kleiner als die Geschwindigkeit des mechanischen 5 tels einer Zieleinrichtung vet schoben wird und Tem-speed is less than the speed of the mechanical 5 device of a target device, and tem-

Herausziehens. Die gleichen allgemeinen Gegeben- peraturen mittels Meßinstrumenten gemessen werden,Pulling out. The same general given temperatures are measured by means of measuring instruments,

heiten bleiben gültig bei der als Chalmers-Methode erfindungsgemäß der Temperaturgradient in derunits remain valid in the Chalmers method according to the invention, the temperature gradient in the

bezeichneten Abwandlung, wobei die Verschiebung Schmelze in der Nähe der Erstarrungsfläche durchdesignated modification, with the shifting melt in the vicinity of the solidification surface through

waagerecht erfolgt. Es zeigt sich, daß diese verschie- eine in Abhängigkeit von in diesem Bereich durchdone horizontally. It turns out that these are different depending on in this area through

denen Methoden und ihre Abwandlungen sowie Vor- io Meßinstrumente gemessenen Temperaturen auf einewhich methods and their modifications as well as previous measuring instruments measured temperatures to a

richtungen dafür, die sämtlich nur zwei in ihrer Stellung Verschiebevorrichtung zur Verschiebung des Haupt-directions for it, all of which only have two in their position shifting device for shifting the main

zueinander feststehende Öfen, sowie gegebenenfalls ofens wirkende Regelung konstant auf einem vorbe-ovens that are fixed to each other, as well as, if necessary, oven-acting control constant on a

eine an einem Ende der Materia] ader angeordnete stimmten Wert gehalten wird.a correct value arranged at one end of the material is maintained.

Kühlvorrichtung aufweisen, wobei es selbstverständ- Die Erfindung betrifft ferner vorteilhafte Ausbillich gleichgültig ist, ob sich der Ofen bezüglich des 15 düngen des Verfahrens, die in den weiteren Anfeststehenden Materials oder dieses bezüglich des Sprüchen gekennzeichnet sind. Bei einer bevorzugten Ofens bewegt (siehe z. B. schweizerische Patentschrift Ausfühnmgsform der Erfindung bewirkt der Haupt-421 060), alle eine Reihe von Nachteilen besitzen, ofen im Bereich der Mass·' des Materials eine Teminsbesondere die folgenden: peraturverteilung mit einen' bezüglich seiner Mittel-Have cooling device, it being self-evident. The invention also relates to advantageous designs It is irrelevant whether the furnace is fertilizing with respect to the method, which is in the further pending Material or this are marked with regard to the saying. With a preferred Moving furnace (see e.g. Swiss patent specification embodiment of the invention causes the main 421 060), all of which have a number of disadvantages, open a particular time in the area of the dimensions of the material the following: temperature distribution with a 'with respect to its mean

Da die Stabilität des Gradienten \on der Stabilität 20 ebene zum Nebenofen hin verschobenen Maximum, der Temperaturen mindestens zweie·- Wärmequellen Man kann so in der flüssigen Phase in der Nähe der abhängt (gleichgültig ob es sich um zwei heiße Zonen Erstarrungsgrenzfläche einen erheblichen Temperaturoder um eine heiße Zone und die Umgebung handelt), gradienten erzeugen, ohne daß die Gesamtmenge der sind zwei Temperaturregelungen erforderlich, um den flüssigen Phase auf die Maximaltemperatur gebracht Gradienten festzulegen, und ihre Wechselwirkung 25 werden muß.
führt zur Gefahr einer Pumparbeit. Die beschriebenen Ausbildungen garantieren eineSince the stability of the gradient \ on of the stability 20 level maximum shifted towards the secondary furnace, the temperatures at least two - heat sources can thus depend in the liquid phase in the vicinity of the (regardless of whether there are two hot zones of solidification boundary surface a considerable temperature or around a hot zone and the surrounding area), create gradients without the total amount of the two temperature controls are required to set the liquid phase brought to the maximum temperature gradient, and their interaction must be 25.
leads to the risk of pumping work. The training courses described guarantee a

Die Stabilisierung des Gradienten kann bei den große Stabilität der Wachstumsgeschwindigkeit undThe stabilization of the gradient can be achieved with the great stability of the growth rate and

eegebenenen Wärmeträgheiten nur bei einem fest- eine genaue Regelung des Temperaturgradienten ine given thermal inertia only with a fixed an exact regulation of the temperature gradient in

gelegten und stationären Zustand der Wärrreflüsse der Nähe der Grenzfläche, mindestens in der flüssigenplaced and steady state of heat reflux near the interface, at least in the liquid

erhalten werden. ₃₀ Phase, wobei nur sehr einfache Mittel benutzt werden.can be obtained. ₃₀ phase, using only very simple means.

Die obigen Lösungen sind verhältnismäßig kost- Die Erfindung wird erläutert durch die folgende spielig, schwierig und empfindlich, wenn es erforder- Beschreibung einer Ausführungsform die nur als Beilich ist, große Temperaturgradienten zu erzeugen, da spiel angegeben ist. Die Beschreibung bezieht sich die Gesamtheit der Flüssigkeit auf die Höchsttempe- auf die Zeichnungen. Hierin zeigt
ratur gebracht werden muß. 35 F i g. 1 eine sehr schematische schaubildlic.ie Dar-The above solutions are relatively expensive. The invention is explained by the following playful, difficult and sensitive, if necessary- description of an embodiment which is only as an aid to generate large temperature gradients, as game is indicated. The description refers to the totality of the liquid at the maximum temperature on the drawings. Herein shows
rature must be brought. 35 Fig. 1 is a very schematic diagram showing the

Man kann den Gradienten nur in der flüssigen stellun_o der mechanischen Teile der Vorrichtung,Can be the gradient only in the liquid stellun _o of the mechanical parts of the apparatus,

Phase stabilisieren, nicht dagegen in der festen Phase F i g. 2 einen Aufriß des Schiffchens der Vorrich-Stabilize phase, but not in the solid phase F i g. 2 an elevation of the shuttle of the device

in der Nähe der Grenzfläche. tung der F i g. 1,near the interface. tion of the F i g. 1,

Außer im Fall von extrem geringen Herausziehusigs- F i g. 2 eine auseinandergezogene schaubildliche geschwindigkeiten ist der Temperaturgradient im 4c Darstellung des Gehäuses des Schiffchens, der EinBereich der Flüssigkeit nicht konstant, da die Ver- satzschale, der Abschirmungen und des Deckels teilung der Temperaturen nicht linear ist. (letzterer mit seiner Unterseite nach oben gezeigt),Except in the case of extremely low pull-outs. 2 is an exploded perspective view speeds is the temperature gradient in the 4c representation of the boat's housing, the one area the liquid is not constant because of the offset bowl, the shields and the lid division of temperatures is not linear. (the latter with its underside facing up),

Im Verlauf ein und desselben Züchtungsvorgangs F i g. 4 ein sehr vereinfachtes Blockdiagramm derIn the course of one and the same cultivation process F i g. 4 is a very simplified block diagram of FIG

der Festphase durch Herausziehen des Schiffchens mit der Vorrichtung der F i g. 1 zusammenwirkendenthe solid phase by pulling out the boat with the device of FIG. 1 cooperating

werden die Gleichgewichtsgleichungen des Wärme- 45 Regelvorrichtungen,the equations of equilibrium of the heat control devices,

flusses durch d<e Auswirkungen der Endabschnitte F i g. 5 sehr schematisch eine mögliche Verteilungflow through the effects of the end sections F i g. 5 very schematically a possible distribution

gestört, da die Abmessungen des Schiffchens offen- der Temperaturen längs der Achse der Verschiebungdisturbed because the dimensions of the boat open - the temperatures along the axis of displacement

sichtlich begrenzt sind, und durch die hohe Wärme- des Schiffchens der Vorrichtung der F i g. 1, wobeiare visibly limited, and due to the high warmth of the boat of the device of FIG. 1, where

Speicherkapazität der aus dem Schiffchen und dem der Umriß des Schiffchens und der öfen zur größerenStorage capacity from the boat and from the outline of the boat and the ovens to the larger one

Material bestehenden, stets eine erhebliche Größe 5& Klarheit gestrichelt gezeigt sind,Material existing, always a substantial size 5 & clarity are shown in phantom

besitzenden Anordnung. Die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung besitzt einowning arrangement. The in F i g. 1 has a device shown

Praktisch entsprich' die Herausziehgeschwindigkeit aus mehreren Teilen zusammengesetztes, insgesamtIn practice, the pull-out speed corresponds to what is assembled from several parts, overall

in den bisherigen Vorrichtungen nicht der Erstarrungs- mit 10 bezeichnetes feststehendes Gestell mit einemin the previous devices not the solidification with 10 designated fixed frame with a

geschwindigkeit. Kurz gesagt, die genaue und dauernde waagerechten Tisch, auf oem die Flansche befestigtspeed. In short, the exact and permanent horizontal table on which the flanges are attached

Regelung der Parameter, die r^an beeinflussen kann, 55 sind, we'che die beweglichen Teile halten,Regulation of the parameters that can influence 55, which hold the moving parts,

um die konstitutionsbedingte Unterkühlung zu be- Die Teile, welche das zu behandelnde, in einemto treat constitutional hypothermia

seitigen oder zu begrenzen, ist außerordentlich schwie- Schiffchen enthaltene Material bei der gewähltensided or limit, is extremely difficult- shuttle-contained material in the chosen

rig und wenig befriedigend, obgleich man sogar ma- Temperatur halten sollen, bestehen im wesentlichenRigid and unsatisfactory, although one should even maintain the temperature, essentially exist

gnetischc Methoden zu Hilfe genommen hat. aus einem Nebenofen 12, einem Hauptofen 14 undhas made use of magnetic methods. from a secondary furnace 12, a main furnace 14 and

i^ie oben angegebenen Nachteile oder mindestens die 60 einem Kühlblock (Abkühlungsofen) 16, die nachschwerwiegendsten von diesen werden nun behoben einander beschrieben werden.The disadvantages indicated above, or at least the 60 one cooling block (cooling furnace) 16, are the most serious these will now be described in a corrected manner.

oder weitgehend ausgeschaltet, wenn bei einem Verfall- Der Nebenofen ist von geringer Dicke und ringren zum gerichtet Erstarrenlassen einer in einem läng- förmig, um das Schiffchen hindurchreiten zu lassen, liehen, waagerecht gehalterten, üben offenen Schiff- Bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsforni ist er chen befindlichen Schmelze, wobei das Schiffchen 65 am Tisch befestigt. Da seine Aufgabe nur darin bekontinuierlich längs seiner Achse von einem Bereich steht, eine Zusatz- und Regelheizleistung zu liefern, über dein Schmelzpunkt liegender Temperatur, die hat dieser Ofen nur eine geringe Wärmekapazität, durch einen Hauptofen mit großer Leistung und Der Ofen 12 ist mit einer Regelvorrichtung versehen,or largely switched off if, in the event of a decay, the auxiliary furnace is of thin thickness and ringren for directed solidification one in one elongated to allow the boat to ride through, borrowed, horizontally held, practice open ship- In the case of FIG. 1 he is the embodiment shown Chen located melt, with the shuttle 65 attached to the table. Since his task is only there continuously stands along its axis from an area to provide additional and control heating output, temperature above your melting point, this furnace has only a low heat capacity, by a main furnace with high power and the furnace 12 is provided with a control device,

die weiter unten beschrieben ist und eine rasche und genaue Regelung der Temperatur ermöglichen muß, die dem Material vom Schutzofen in seinem Bereich aufgezwungen wird.which is described below and must enable rapid and precise control of the temperature, which is imposed on the material by the protective furnace in its area.

Der ebenfalls ringförmig ausgebildete Hauptofen 14 ist koaxial zum Nebenofen 12 angebracht und besitzt eine wesentlich höhere Wärmeleistung. Wie aus dem folgenden ersichtlich, ist er mit einer Regelvorrichtung 15 (F i g. 4) für eine verhältnismäßig grobe Stabilisierung seiner Temperatur ausgerüstet. Der Hauptofen 14 ist bezüglich des Nebenofens 12 durch einen Verschiebungsmechanismus beweglich, der von einer weiter unten beschriebenen Regelvorrichtung gesteuert wird und dazu dient, in der flüssigen Phase in der Nähe der Grenzfläche flüssig-fest einen bestimmten und gleichbleibenden Temperaturgradienten in dem zu behandelnden Material aufrechtzuerhalten. Der Mechanismus zur Verschiebung des Hauptofens 14 besitzt zwei Gewindespindeln 17, die von einem einzigen Servomotor 18 über eine Getriebe 20 angetrieben werden. Die Enden der beiden Gewindespindeln 17 drehen sich in Lagern, die zu diesem Zweck in zwei vom feststehenden Tisch getragenen senkrechten und parallelen Flanschen 22 und 22' vorgesehen sind. Das Chassis des Ofens 14 ist seitlich mit Eckblechen 24 versehen, welche Gewindemuffen 26 tragen, die auf die Gcwindespindeln 17 aufgeschraubt sind. Die Drehung der Gewindespindeln verschiebt also den Hauptofen 14 auf den Schutzofen 12 hin oder von diesem weg, je nach der Drehrichtung der Spindeln und damit des Servomotors 18.The main furnace 14, which is also ring-shaped, is attached coaxially to the secondary furnace 12 and has it a much higher thermal output. As can be seen from the following, it is equipped with a control device 15 (Fig. 4) equipped for a relatively rough stabilization of its temperature. The main furnace 14 is movable with respect to the secondary furnace 12 by a displacement mechanism, which is controlled by a control device described below and is used in the liquid Phase in the vicinity of the liquid-solid interface has a specific and constant temperature gradient in the material to be treated. The mechanism for moving the main oven 14 has two threaded spindles 17, which are driven by a single servomotor 18 via a gear 20 are driven. The ends of the two threaded spindles 17 rotate in bearings that relate to this Purpose provided in two vertical and parallel flanges 22 and 22 'carried by the fixed table are. The chassis of the furnace 14 is laterally provided with corner plates 24, which threaded sockets 26, which are screwed onto the Gcwindespindeln 17. The rotation of the threaded spindles thus moves the main furnace 14 towards the protective furnace 12 or away from it, depending on the direction of rotation of the spindles and thus of the servomotor 18.

Der Nebenofen 12 und der Hauptofen können von verschiedenem Typ sein, wobei die Wahl im einzelnen von der Art des zu behandelnden Materials abhängt. Man kann insbesondere Widerstandsöfen benutzen. In anderen Fällen kann es vorteilhaft sein, Hoch« frequenzinduktionsöfen zu benutzen, wobei die Wärme unmittelbar im Bereich des zu behandelnden Materials abgegeben werden kann, vorausgesetzt daß es ein elektrischer Leiter ist.The secondary furnace 12 and the main furnace can be of different types, the choice being in detail depends on the type of material to be treated. In particular, resistance furnaces can be used. In other cases it may be advantageous to use high frequency induction furnaces, with the heat can be released directly in the area of the material to be treated, provided that there is a electrical conductor is.

Unabhängig vom Typ des Hauptofens besitzt dieser vorteilhafterweise längs seiner Achse eine unsymmetrische Temperaturverteilung mit einem bezüglich seiner Mittelebene zum Schutzofen hin verschobenen Maximum, wie in F i g. 5 gezeigt. Diese Ausbildung ermöglicht dadurch, daß die im Material erforderliche Maximaltemperatur bei einem geringeren Abstand def Grenzfläche erzeugt wird, eine Verringerung der in der Gesamtanordnung des Materials abzugebenden Gesamtwärmeleistung.Regardless of the type of main furnace, it is advantageously asymmetrical along its axis Temperature distribution with a maximum shifted towards the protective furnace in relation to its central plane, as in Fig. 5 shown. This training makes it possible that the material required Maximum temperature is generated at a smaller distance def the interface, a reduction in the Total heat output to be given off in the overall arrangement of the material.

Der Kühlblock 16 besteht in der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform aus einer einfachen, zu den Öfen 12 und 14 gleichachsigen Muffe, die längs ihrer Achse verschiebbar ist. Diese Muffe wird von einer rohrförmigen Zugstange 30 getragen, die vom Flansch 22' geführt wird, in dem sie gleitet. Diese Zugstange ist mit einem Anschlußstück 32 für den Einlaß eines Kühlmediums versehen, das durch einen Stutzen 34 eintritt und einen Stutzen 36 austritt.The cooling block 16 consists of the one shown in FIG. 1 embodiment shown from a simple, to the ovens 12 and 14 coaxial sleeve which is displaceable along its axis. This sleeve is made of a tubular tie rod 30 guided by flange 22 'in which it slides. These Pull rod is provided with a connection piece 32 for the inlet of a cooling medium, which by a Connector 34 enters and a connector 36 exits.

Der Antriebsmechanismus des Kühlblocks 16 besitzt einen ähnlichen Aufbau wie der des zum Hauptofen 14 gehörenden Mechanismus. Er besitzt einen Bügel 38, der auf der Zugstange 30 befestigt und mit Gewindebohrungen versehen ist. In diese Bohrungen sind zwei zur Zugstange 30 parallele Gewindespindeln eingeschraubt. Die Gewindespindeln 40 sind in zwei Flanschen 42 und 42' unverschiebbar gehalten und werden durch eine schematisch mit 44 bezeichnete Anordnung von Servomotor-Getriebe und Zahnradvorgelege angetrieben.The drive mechanism of the cooling block 16 has a structure similar to that of the main furnace 14 belonging mechanism. He has a bracket 38 which is attached to the pull rod 30 and with Threaded holes is provided. In these bores there are two threaded spindles parallel to the tie rod 30 screwed in. The threaded spindles 40 are held immovably in two flanges 42 and 42 ' and are represented by an arrangement of servomotor transmission and gear reduction, indicated schematically at 44 driven.

Bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform ist der Kühlblock 16 am Endabschnitt des in F i g. 3 und 2 gezeigten Schiffchens 46 befestigt. Dieses Schiffchen enthält das zu behandelnde Material, so daß der Antriebsmechanismus des Kühlblocks 16 gleichzeitig den Mechanismus zum Herausziehen des Schiffchens 46, d. h. zur Verschiebung der Erstarrungsfront des in ihm enthaltenen Materials längs des Schiffchens bildet.In the case of the in FIG. The embodiment shown in FIG. 1 is the cooling block 16 at the end portion of the embodiment shown in FIG. 3 and 2 shown shuttle 46 attached. This boat contains the material to be treated, see above that the drive mechanism of the cooling block 16 at the same time the mechanism for pulling out the Shuttle 46, d. H. to shift the solidification front of the material it contains along the Schiffchens forms.

Das Schiffchen muß eine Anzahl von Bedingungen erfüllen, um den Wärmefiuß nicht zu stören, insbesondere: The boat must meet a number of conditions in order not to disturb the heat flow, in particular:

es muß eine vollkommene Wärmesymmetrie besitzen, um die schädlichen Wirkungen der Konvektion durch seine Wand auf ein Mindestmaß zu begrenzen;it must have perfect thermal symmetry in order to avoid the harmful effects of the To minimize convection through its wall;

es muß mindestens teilweise das in ihm enthaltene Material den störenden Außeneinflüssen entziehen, insbesondere im Bereich zwischen den Öfen, was voraussetzt, daß es das Material gegenüber der Umgebungsatmosphäre genügend wärme-it must at least partially remove the material contained in it from the disruptive external influences, especially in the area between the ovens, which assumes that it is facing the material the surrounding atmosphere is sufficiently warm

iso:iert, dabei jedoch (abgesehen vom Fall der Induktionsöfen) die Wärmeübertragung von diesen Öfen zum Material ermöglicht. Dieses Ergebnis wird erhalten, indem man für das Schiffchen ein Material wählt, dessen Wärmeleitfähigkeit geringiso: ated, but (apart from the case of the Induction furnaces) that allows heat to be transferred from these furnaces to the material. This result is obtained by choosing a material for the boat whose thermal conductivity is low

ist im Vergleich mit der des behandelten Materials; schließlich muß das Schiffchen eine genaue Messung der Temperaturen in dem zu behandelnden Material ermöglichen, ohne daß diese Messungen die übertragung und Homogenität des Wärme-is compared to that of the treated material; Finally, the boat must have an accurate measurement of the temperatures in the area to be treated Material, without these measurements affecting the transfer and homogeneity of the heat

flusses stören.disturb the river.

Das in den F i g. 2 und 3 gezeigte Schiffchen erfüllt diese Bedingungen. Nach dem Zusammenbau (F i g. 2) besitzt es in seinem Hauptteil eine Form mit dem Querschnitt eines regelmäßigen Sechsecks, die eine genügende Symmetrie um seine Achse besitzt, um jede Inhomogenität um seine Achse zu vermeiden, und setzt sich fort in einem zylindrischen Zapfen 48.The in the F i g. The shuttle shown in FIGS. 2 and 3 fulfills these conditions. After assembling (Fig. 2) it has in its main part a shape with the cross-section of a regular hexagon, which has sufficient symmetry around its axis to avoid any inhomogeneity around its axis, and continues in a cylindrical pin 48.

Dieser Zapfen 48 ist in die Muffe eingesetzt, welche den Kühlblock 16 bildet und dort durch einen Keilstift befestigt, der in radiale Bohrungen 50 (F i g. 1) und 52 (Fig. 2) eingreift.
Den Hauptteil des Schiffchens bildet ein mit dem Zapfen 48 fest verbundenes Gehäuse 54, das eine Rinne 56 mit flachem Boden aufweist. In diese Rinne wird eine Einsatzschale 58 eingesetzt. Nach Füllung mit dem zu behandelnden Material wird die Einsatzschale mit zwei Wärmeschirmen 60 und 60' abgedeckt und dann in die Rinne 56 eingesetzt. Das Gehäuse 54 wird dann durch einen in F i g. 3 mit seiner Unterseite nach oben dargestellten Deckel 62 verschlossen. Das Schiffchen 46 muß Thermoelemente hindurchtreten lassen, welche die Temperatur an der Stelle, wo die Erstarrungsfront gehalten werden soll, Und die Gradienten beiderseits dieser Front messen sollen. Bei der gezeigten Ausführungsform sind drei (in F i g. 1 und 2 nicht gezeigte) Thermoelemente vorgesehen, deren Schaltung in F i g. 4 angegeben ist. Diese Thermoelemente sind durch einen in einer Seitenfläche des Gehäuses vorgesehenen Seitenschutz 64 durch das Schiffchen und durch einen Schlitz 66 durch einen Schirm 60 geführt und enden in der Nähe der WandThis pin 48 is inserted into the sleeve which forms the cooling block 16 and is fastened there by a wedge pin which engages in radial bores 50 (FIG. 1) and 52 (FIG. 2).
The main part of the shuttle is formed by a housing 54 which is firmly connected to the pin 48 and which has a channel 56 with a flat bottom. An insert tray 58 is inserted into this channel. After filling with the material to be treated, the insert shell is covered with two heat shields 60 and 60 ′ and then inserted into the channel 56. The housing 54 is then supported by a device shown in FIG. 3 closed with its underside shown cover 62 upwards. The boat 46 must allow thermocouples to pass through, which should measure the temperature at the point where the solidification front is to be held, and the gradients on both sides of this front. In the embodiment shown, three thermocouples (not shown in FIGS. 1 and 2) are provided, the circuit of which is shown in FIG. 4 is specified. These thermocouples are passed through a side protection 64 provided in a side surface of the housing through the boat and through a slot 66 through a screen 60 and end in the vicinity of the wall

Wie in F iAs in F i

ς. 4 gezeigt, ist das und ein darauf folgendes Galvanometer mit zweiς. 4 is that and a subsequent galvanometer with two

^sj ^Jtsas:ssäks^ sj ^ Jtsas: ssäks

!Τ S IlefSe. E swi I' s Sefjir Regel der beiden Relais entsprechen, ist so festgelegt, daß! Τ S IlefSe. E swi I's Sefjir rule the two relays correspond to it is so determined that

hmΓα s Äo?en» 12 benutzt, der die Temperatur 5 die abwechselnden Bewegungen des Hauptofens 14hmΓα s Äo? en »12 uses the temperature 5 the alternating movements of the main oven 14

V γ¹-"" . „_in„_{m W}crt eleich dem η cht zu rasch aufeinander folgen.V γ ¹ - "". “ _In _w crt, you can follow the η cht too quickly one after the other.

Ph d Of uf ^3^^ ^g'£SPh d Of uf ^ 3 ^^ ^g '£ S

im Prre.ch dieses Ofens aufin the Prre.ch of this oven

Erstarrungspunkt des zuFreezing point of the to

!J_{0 in} ! J _{0 in}

die ab ggfrom gg

η cht zu rasch aufeinander folgen.η do not follow one another too quickly.

_Die Aufrechterhaltung eines im wesentlichen kon_stanten Wertes des Gradienten in der festen Phase in _Maintaining a substantially con _stant value of the gradient in the solid phase in

Signal liefert.Signal delivers.

wie das 15 Muffe gehenden Kühlmittelfluß regelt.how the 15 sleeve regulates the coolant flow.

Ate 5« Ä? STS Ate 5 «Ä? STS

starrungsgrenzflachc P/°P°J _{eise an einem ao} Starrungs Grenzflachc P / ° P ° J _{eise at an ao}

se Thermoelemente «nd vomigsweje an e. η cht gezeigten einstellbaren,Halt er befest^. wodu« die Absta^e zwischen hnen verändert ^rdense thermocouples «nd vomigsweje an e. η cht shown adjustable, Halt he fasten ^. where you" the distances between hens changed

große Abstande, beispielsweise zwiswic 15 mm gemessen werden ^k°nnenlarge distances can be measured, for example, 15 mm can zwiswic ^k °

Die ^Re^^lvornchl.^ung' **""„'_mi Widerstands- und 2 gezeigten und ^an^ⁿ°^^me.^'„g ζϊΓπΓιηβη-öfe . 12 und 14 ausgerus Jten Vorr.el^Jg ^~ wirkt, kann beispielsweise die mit bezug aui g ^ im folgenden bescnncucne «»- . . _{d Q[ 12} The ^Re ^ ^lvornchl . ^ung '** """' _mi resistance and 2 shown and ^an ^ ⁿ ° ^ ^me . ^ '" g ζϊΓπΓιηβη-ovens. 12 and 14 is effective, for example, the following can be described with reference to "" -. . _{d Q [12}

Die Temperaturregelung m Ber«ch^ des Of«»The temperature control m Ber "ch ^ Of the ''

erfolgt mittels einer ^ub^™J^™*rovoTUonaltung 82, vorzugsweise vom soge^nannte" >^roptakes place by means of a ^ub ^ ™ J ^ ™ * rovoTUonal device 82, preferably of the so-called ^nan nte "> ^ rop

^lTT^] , Tchu?»£ΐ'12 Abgegebene Ldstung so standen des Schutzofens IZ aögeg _messene ^l TT ^] , Tchu? »£ ΐ'12 The released solution was in the protective furnace IZ aögeg _messene

regelt, daß die ^v™ ^The^£™ wertf nämlichregulates that the ^v ™ ^The ^ £ ™ worth namely

Temperatur bei einem konstanten weTemperature at a constant we

dem Erstarrungspunkt gehalten wi · _d the solidification point wi kept · _d

Die Regelung des Tem^^^ flüssigen Phase erfolgt durch Verscmeoung fThe regulation of the tem ^^^ liquid phase takes place through Verscmeoung f

ofens 14. Die entsprechende Vornclrtung b»**einen elektromschen Kreisei^r1 g. ; Thermo-Oven 14. Make the appropriate pre-opening Electromic Kreisei ^ r1 g. ; Thermal

aus dem in D^^JS ™from that in D ^^ JS ™

element ™^^ζ^ Die .n den W.derstanden des Ofens abggelement ™ ^^ ζ ^ The .n the W.derstands of the furnace ex

leistung ist zunachs ein fur anen stanten Wert eingestellt, welcheriurfirst and foremost, performance is a pleasure constant value is set, which is only

Stellung dts Ofens 14 ^eI"^e" ^Ä^Snf dieses ten liefert, und die spatere Aufre*g«M«ng^ Gradienten erfolgt durch_ die fersen'«· g Ofens 14 D.e Regel^jornchlung 84, welcher^ zustellende °^_η ^η\^ΑΐΠ_η den Schutzofen motor 18 um ^den "^/Sent zu gering ist. DiePosition of the furnace 14 ^eI " ^e " ^ Ä ^ Snf this th delivers, and the later excitement is done by the heels'"g furnace 14 De rule ^ jornchlung 84, which ^ to be delivered ° ^ _η ^η \ ^ ΑΐΠ _η the protective furnace motor 18 by ^the "^ / Sent is too low. The

ASA einSn VerstärkerASA an SN amplifier

. Veränderungen des Hauptofens 14 ist, dessen Stabili* ^ _{und durch die} ^„^ . Changes in the main furnace 14 is, its Stabili * ^ _{and by the} ^ "^

g g _Wänne»_{b jm Bereich des Schiff}.gg _Wänne » _{b in the area of the ship} .

g ^^ ^.^ ^^ ^ _hedn{{uQt g ^^ ^. ^ ^^ ^ _{hedn {{uQt}

^wird' ^{da sie die Veränderu}"g^en Praktisch sofort kompensiert, wobei außerdem noch die Regelvorrichtung außerordentlich einfach aufgebaut ist. Da die Regelung nur in Abhängigkeit vom Gradienten in dem Bereich, wo seine Rolle wesentlich ist, wirksam wird, ; _{die Erfindu die Notwend}i_gkeit, die Gesamt„enge der flüssigen Phase auf eine zu hohe Temperatur _zu bringen, so daß der Energieverbrauch entsprechend ^is' ^{since it changes through} "g ^s Virtually immediately compensated, which also have the control device is extremely simple in structure, since the control is effective only a function of the gradient in the region where its role is essential;. _{the Erfindu the Notwend} i _{gke it to} _{bring the overall tightness of} the liquid phase to too high a temperature, so that the energy consumption correspondingly

durch die unsymmetrische Temperaturverteilung im _Hauptofe_n 14. Außer der Einsparung an vom Hauptofen 14 dem Material zu übertragender Wärme erhält _man entsprechend eine Einsparung an durch das Kühlmittel abzuführenden Kalorien.n corresponding to a saving of dissipated by the coolant calories by the asymmetrical temperature distribution in the _Hauptof e 14. In addition to the saving of _n from the main oven 14 the material to be transmitted receives heat _ma.

^ _{Geschwjndigkeit des} Herausziehens des fihiff_{chens kann bdiebi sein(} vorausgesetzt, daß sie unter _{der mö Hchen} Maximalgeschwindigkeit des HauptAußerdem müssen selbstverständlich ^ _{ßewegungen vorgenommen werden}, _ohne schäd-^ _{Geschwjndigkeit of} extracting the fihiff _{Chen may be bdiebi (provided} that it under _{the mö Hchen} maximum speed of the main addition, of course ^ _ßewegungen must _{be made} _without damaging

liehe Schwingungen im Schiffchen zu erzeugen. Der Hauptofen muß eine etwas größere Länge als die derto generate lent vibrations in the boat. The main furnace must be a little longer than that of the

Materialader in flüssiger Phase besitzen. _D._{e Erfindung} ^ _{offensichtHch zahlreiche Ab}.Have material vein in the liquid phase. _D. _{e invention} ^ _{obviously numerous Ab} .

Wandlungen erfahren. Insbesondere kann man offen_{dje Funktjon des Herausziehens des} Schiffchens von der Kühlfunktion trennen, und einen fest- ^^ ^ ^„^.^ ^ _{Schutzofens beweg}.Experience changes. In particular, one can openly _{separate the function of pulling out the} boat from the cooling function, and _{move a fixed protective furnace} .

Kühlblock (Kühlofen) verwenden, der von der ^ ^.^^ ^.^ ^ _{unabhängi ist}.Use a cooling block (cooling furnace) which _{is independent} of the ^ ^. ^^ ^. ^ ^ .

Im Prinzip bietet diese Anordnung einen zusätzhchen Parameter für die Regelung, der jedoch in der Praxis im allgemeinen nicht benötigt wird.In principle, this arrangement offers an additional parameter for the regulation, but this is in practice generally not needed.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

209 549/525209 549/525

Claims

Patent claims:

1. Method for directionally solidifying one in an elongated, horizontally supported, above open boat located melt, the boat continuously along its axis from a temperature range above the melting point produced by a main furnace with great power and heat capacity is maintained, to a region below the melting point lying temperature, that of a controllable auxiliary furnace with low heat capacity is maintained, is moved by means of a pulling device and temperatures by means of Measuring instruments are measured thereby characterized in that the temperature gradient in the red melt in the vicinity of the solidification surface by a function of measured in this area by the measuring instruments Temperatures acting on a shifting device for shifting the main furnace Control is kept constant at a predetermined value.

2. The method according to claim 1, characterized in that the temperature distribution in Main furnace is set so that the temperature maximum is from the center plane of the main furnace is shifted towards Nebeno *> ii.

3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the main furnace applied side of the side by jfens a cooling block one below the melting point the temperature of the material to be crystallized is maintained.

4. The method according to claim 3, characterized in that a cooling block is used, which is connected to the shuttle.

5. Process according to claims 1 to 4, characterized in that the temperature d ° .s crystallized material in the area of the secondary furnace by a controlled by this temperature Regulation of the output in the auxiliary furnace is kept constant.

Some of the parameters of the first group, such as the temperature gradient G ₃ in the solid phase near the solid-liquid interface, the temperature gradient G ₁ in the liquid near the same interface and the solidification rate V, are determined from the outside Test conditions are set, while others, such as the thermal conductivity coefficient Kg of the solid phase, the thermal conductivity K _{1 of} the liquid phase, the latent

ίο Heat of solidification L of the material and the temperature T _{8 of} the phase transition, the constituents relate to. The parameters of the second group are in particular the diffusion coefficients D _s and D ₁ I ¹ Ss or the dissolved substances in the solid and liquid phase, the concentration C _{0 of} the dissolved substance or dissolved substances at the level of the interface and the slope m of the liquidus curve of the phase diagram in the vicinity of the concentration C _{0 of} the dissolved substances in the liquid.

It is also known that the quality of the results obtained in the course of gradual solidification to a large extent from the presence or absence of constitutional hypothermia depends. In the absence of this supercooling, the interface is essentially flat and smooth. In the presence of constitutional hypothermia and depending on its extent, the interface holey, fibrous, cellular or even dendritic. Using the fixed- Positions are fulfilled as the condition of the absence of constitutional hypothermia the following relationship: