DE2345048A1

DE2345048A1 - Vorrichtung zum herstellen von kristallinen koerpern

Info

Publication number: DE2345048A1
Application number: DE19732345048
Authority: DE
Inventors: William Bardsley; Geoffrey William Green; Charles Harry Holliday; Donald Thomas James Hurle
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1972-09-08
Filing date: 1973-09-06
Publication date: 1974-05-09
Also published as: US3934983A; GB1434527A; JPS4991971A

Description

2 3 4 5 O Λ

Dlpi.rn-7. ρ. ε τ «ι τ ζ «wv ^w Dip!-:.-!.,, K. LAf.-^r.'iS

Dr.-iii j. R. DCK Γ Z Jr. • MBn*h«n 22, Steiiwdorfrir.

. 293-21.364P(21.365H) 6. 9. 1973

National Research Development Corporation, LONDON, Großbrit,

Vorrichtung zum Herstellen von kristallinen Körpern

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Herstellen von kristallinen Körpern mit einer Schmelzeinrichtung zum Erzeugen einer Schmelze aus einem vorgegebenen krisfcallisierbaren Material und einer Zieheinrichtung zum Ziehen von Kristallen aus der Schmelze mit einem starren langgestreekten Ziehglied, das eine Ziehachse für das Kristallziehen festlegt, und einer Wägezelle, die zum Zwecke einer Steuerung der gezogenen Kristalle mit geschlossener Schleife ein mit der auf das Ziehglied entlang der Ziehachse ausgeübten Kraft zusammenhängendes Signal abgibt.

Bei der Herstellung von kristallinen Körpern nach der Methode von Czochralski werden einzelne Kristallejaus 293-JX/4O 20/04-DfF

409819/0995

einem kristallisierbaren Material mit Hilfe eines normalerweise in axialer Richtung mit konstanter Geschwindigkeit bewegten und gleichzeitig mit konstanter Drehzahl gedrehten Ziehstabes aus einer Schmelze des entsprechenden kristallisierbaren Materials gezogen. Die Querschnittsfläche der gezogenen Kristalle senkrecht zur Richtung ihres Wachsens, die im folgenden kurz als Querschnittsfläche bezeichnet werden soll, muß während des Wachsens der Kristalle innerhalb genau festgelegter Grenzen gehalten werden, damit die fertigen Kristalle den für ihre spätere Verwendung in einem Gerät zu stellenden Anforderungen genügen. Eine Steuerung der Querschnittsfläche ist auch dann erforderlich, wenn der zu ziehende Kristall aus einem kostspieligen Material besteht. Die Querschnittsfläche des Kristalls wird vielfach von Hand gesteuert, indem die für das Aufheizen der Schmelze aufgewendete Leistung entsprechend eingestellt wird. Der Bedienungsmann, der diese Einstellung vornehmen soll, braucht erhebliche Erfahrung und Geschicklichkeit, da es erforderlich ist, die Heizleistung sehr genau einzustellen, damit die Querschnittsfläche des Kristalls zu jeder Zeit während seines Wachsens so nahe bei der verlangten Größe liegt wie möglich. Um einen Kristall wachsen zu lassen, der eine genau gleichförmige Querschnittsfläche entlang seiner Länge aufweist, ist es erforderlich, daß der Bedienungsmann die Einstellung der Heizleistung kontinuierlich vornimmt. Dies ist jedoch vom Standpunkt des Bedienungsmannes aus gesehen eine sehr unbefriedigende Lage. Im anderen Extremfalle, wenn also die Einstellung der Heizleistung zu selten vorgenommen wird, können Kristalldefekte auftreten, da die

409819/0998

dann erforderlichen Einstellungen zu groß ausfallen.

Zur Steuerung der Heizleistung in einem Kristallziehsystem kann für die Steuerung der Querschnittsfläche während des Kristallziehens eine offene Steuerschleife angewandt werden. In diesem Fall kann die Heizleistung beispielsweise entsprechend einem Programm variiert werden, das aus der durchschnittlichen Einstellung früherer Läufe abgeleitet ist, und die Leistungssteuerung kann entweder mit Hilfe elektrischer oder mechanischer Mittel bewirkt werden. Wenn jedoch für das Wachsen der Kristalle hohe Temperaturen verlangt werden, besteht die Gefahr, daß das Steuerprogramm Infolge solcher Paktoren wie Änderungen im thermischen Verhalten des für die Auskleidung des die Kristallsohmelze enthaltenden Tiegels verwendeten feuerfesten Materials zwischen aufeinanderfolgenden Durchgängen Änderungen erfährt.

In den meisten Fällen ist für die Steuerung der beim Krietallziehen aufgewandten Heizleistung zum Zwecke der Steuerung der Größe der gezogenen Kristalle eine Steuerung mit geschlossener Steuerschleife vorzuziehen, und dies gilt insbesondere dann, wenn unter bestimmten Umständen die Forderung gestellt wird, nur eine bestimmte Kristallprobe aus einem vorgegebenen kristallisierbaren Material zu gewinnen. Eine solche Probe kann andernfalls die Durchführung zahlreicher Versuche verlangen, bevor sie in passender Form anfällt.

Eine bekannte Steuerung der Heizleistung mit geschlossener Steuerachleife wird für die Herstellung von Kristallen aus Silizium verwandt. Während des Ziehens der

409819/0995

Sillziumkristalle stört die ungewöhnlich hohe latente Schmelzwärme des kristallisierbaren Materials den radialen Temperaturgradienten entlang der Schmelzeoberfläche nahe der Phasengrenze zwischen Schmelze und Kristall· Diese Störung ermöglicht es, eine Information Über den Durchmesser (Querschnittsfläche) des Kristalls mit Hilfe eines Pyrometerftihlers mit schmalem Strahlungswinkel zu gewinnen und diese Information für die Steuerung des Kristallwachstums in einer geschlossenen Steuerschleife zu verwenden. Es liegt auf der Hand, daß es Schwierigkeiten bereitet, dieses Verfahren für alle Stadien des Kristallwachstums zu verwenden. Es ist daher erforderlich, eine Lelstungseinstellung von Hand vorzunehmen, um den Kristall bis etwa zu der verlangten Qierschnittsfläohe anwachsen zu lassen, bevor die Steuerung mit geschlossener Steuerschleife in Gang gesetzt werden kann. Das Verfahren eignet sich im übrigen nioht sehr für zahlreiche Materialien, die eine erheblieh kleinere latente Schmelzwärme aufweisen als Silizium.

Ein anderes bekanntes Leistungssteuersystem mit geschlossener Steuerschleife verlangt die Verwendung eines Laserstrahles. Dieser Laserstrahl wird von dem Meniskus in der Nähe der Phasengrenze zwischen Schmelze und Kristall reflektiert und dient zur Überwachung von Veränderungen im Durchmesser (Querschnittsfläche) des Kristalls, um eine Steuerung der Heizleistung mit geschlossener Steuerschleife zu gewinnen. Auch hier liegt es auf der Hand, daß in den frühen Verfahrensstadien, bevor der Kristall den verlangten Durchmesser angenähert erreicht hat, ein Bedienungsmann das Wachsen des Kristalls zu überwachen hat.

409819/0995

Bei einem weiteren bekannten Steuersystem mit geschlossener Steuerschleife wird für die Messung der Querschnittsfläche des Kristalls ein Fernsehsystem mit geschlossener Schleife eingesetzt. Die Größe des Kristalldurchme&sers wird in diesem Falle elektronisch aus den Abtastzeilen hergeleitet, die das Fernsehbild des Kristalls erzeugen. Auch hier ist es offensichtlich, daß während der Stadien des Kristallwachsens, bevor der Kristall die verlangte Querschnittsfläche angenähert erreicht hat, ein Bedienungsmann den Vorgang überwachen muß. Außerdem ist es bei hohen Temperaturen und zur Verringerung der Strahlungsverluste aus der Schmelze erforderlich, die Winkel einzuschränken, unter denen der Kristall durch das Fernsehsystem überwacht werden kann.

Schließlich ist ein Steuersystem mit geschlossener Schleife in Vorschlag gebracht worden, bei dem das Gewicht des wachsenden Kriställes oder das Gewicht der Schmelze, aus der der Kristall gezogen wird, gemessen wird. Bei einem solchen System sind jedoch keinerlei Vorkehrungen dafür getroffen, die Temperaturverteilung in der S chmelze symmetrisch zur Ziehachse für die Kristalle zu halten. Derartige Vorkehrungen sind dann aber in höchstem Maße erwünscht, wenn das Wachsen des Kriställes sich gleichförmig rund um diese Ziehachse vollziehen soll.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art in der Weise auszubilden, daß gleichzeitig eine genaue Einhaltung geforderter Querschnittsflächen für die zu ziehenden Kristalle und ein gleichförmiges Wachsen der gezogenen Kristalle relativ zur Ziehachse gewährleistet sind.

4098 19/0995

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Rotationseinrichtung zum Drehen des Ziehgliedes um die Ziehachse der Kristalle vorgesehen ist und daß die Wägezelle an dem der Schmelzeinrichtung abgewandten Ende des Ziehgliedes angeordnet ist.

Durch die Drehung des Ziehgliedes während des Ziehens wird die Temperaturverteilung in der Schmelze rotationssymmetrisch in Bezug auf die Ziehachse für die Kristalle.

Das Ziehglied ist vorzugsweise ein gleichförmiger zylindrischer Stab, der vorzugsweise durch eine Kupplung wie beispielsweise ein Lager mit Selbstausrichtung frei von der Wägezelle aufgehängt ist, so daß sich dieser Stab verdrehen läßt, ohne daß gleichzeitig auch die Wägezelle gedreht wird. In diesem Falle kann ein Lager mit geringer Lagerreibung wie beispielsweise ein Gaslager, das an einer der Wägezelle abgewandten Stelle entlang des Stabes angebracht ist, so angeordnet sein, daß die Ziehachse für die Kristalle relativ zur Schmelzeinrichtung zum Schmelzen des kristallisierbaren Materials festgelegt ist.

Die Wägezelle gehört vorzugsweise zu der Bauart mit einer Feder und einem Wandler, der so angeordnet ist, daß er ein mit der Spannung der Feder in Zusammenhang stehendes elektrisches Ausgangssignal erzeugt.

Bei einer ersten AusfUhrungsVariante der Erfindung kann das mit geschlossener Schleife ausgebildete Steuersystem eine Einrichtung zum Erzeugen eines dem erwarteten Wert für das von der Wägezelle erzeugte Signal zugeordneten Signals, einen Komparator zum Vergleichen dieser beiden Signale und eine Einrichtung zum Steuern der Quer-

409819/0995

schnittsfläche für die gezogenen Kristalle in Reaktion auf ein etwaiges Ausgahgssignal des !Comparators enthalten. Die Einrichtung zum Steuern der Querschnittsflache der gezogenen Kristalle kann in die Zieheinrichtung, in die Rotationseinrichtung oder in die Schmelzeinrichtung eingebaut sein. Die Einrichtung zur Signalerzeugung ist vorzugsweise ein Potentiometer, dessen S chleifer linear mit der Zeit in seiner Lage variiert werden kann. In diesem Falle enthält die elektrische Stromversorgung für das Potentiometer vorzugsweise ein nichtlineares elektrisches Bauelement wie beispielsweise eine Siliziumdiode, um eine Steuerung der Quersehnittsfläohe der gezogenen Kristalle in geschlossener Schleife während der ersten Stufen des Kristallwachstums zu ermöglichen.

Alternativ dazu kann das Steuersystem mit geschlossener Schleife eine Einrichtung zum Erzeugen eines Signals, das mit einer zeitlichen Differentialfunktion des von der Wägezelle erzeugten Signals zusammenhängt, eine Einrichtung zum Erzeugen eines Signals, das mit dem erwarteten Wert dieser Funktion zusammenhängt, einen Komparator zum Vergleichen der zeitlichen Differentialfunktion und ihres erwarteten Wertes und eine Einrichtung zum Steuern der Quereohnittsfläche der gezogenen Kristalle in Reaktion auf ein etwaiges Ausgangssignal dieses Komparators enthalten. Die zeitliche Differentialfunktion kann die erste Ableitung nach der Zeit oder auch eine höhere Ableitung nach der Zeit oder eine Kombination von Ableitungen verschiedener Ordnung sein, die sämtlich von dem von der Wägezelle erzeugten Signal gewonnen sind.

Für die weitere Erläuterung der Erfindung wird nunmehr

409819/0995

auf die Zeichnung Bezug genommen, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele für die Erfindung veranschaulicht sind; dabei zeigen in der Zeichnung:

Fig.l eine teilweise geschnittene Darstellung einer .Zieheinrichtung zum Ziehen von Kristallen;

Fig. 2 eine wiederum teilweise geschnittene Darstellung eines mehr Einzelheiten enthaltenden Ausschnitts aus der Einrichtung von Pig. Ij

Fig. 3 ein Blockschaltbild für eine Schaltung zum Steuern des Wachstums eines Kristalls unter Verwendung einer Zieheinrichtung nach Fig.l mit geschlossener Steuerschleife;

Fig. 4 einen Schnitt durch ein im Rahmen der Schaltung nach Fig. 3 verwendbares Potentiometers und

Fig. 5 einen Schnitt durch ein weiteres TeilstUck der Zieheinrichtung von Fig. 1 mit Darstellung von mehr Einzelheiten als in Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Ziehvorrichtung besitzt ein Ziehgefäß 1, auf dessen Boden ein Ständer 3 befestigt ist, der einen Schmelztiegel 5 trägt, in dem eine Charge aus geschmolzenem Material enthalten ist. Oberhalb des S chraelztiegels 5 ist ein Ziehstab 11 angeordnet, der mit seinem oberen Ende über ein selbst ausrichtendes Pendellager hj> (Fig. 2) an einer Wägezelle 53 aufgehängt ist und nahe seinem unteren Ende durch ein Gaslager 27 in seiner Lage gehalten wird.

409819/0995

An seinem unteren Ende trägt der Ziehstab 11 einen Kristallkeim 9a, der daran in üblicher Weise befestigt ist und anfänglich in die geschmolzene Charge 7 im Schmelztiegel 5 eintaucht und dann langsam aus dieser geschmolzenen Charge 7 herausgehoben und zusammen mit dem Ziehstab 11 durch eine unten im einzelnen beschriebene Einrichtung gedreht wird, so daß er das Wachsen eines Einkristalls 9 ermöglicht. Die Charge 7 wird durch eine Heizwicklung 13 aufgeheizt, die über Verbindungsleitungen 15 und 17 mit einem Hochfrequenzheizgerät (Fig. 3) verbunden ist. Der Schmelztiegel 5 wirkt als aein eigener Suszeptor, wenn er selbst elektrisch leitend ist; besteht der Schmelztiegel 5 dagegen aus elektrisch nichtleitendem Material, so wird um ihn herum ein getrennter Suszeptor angeordnet, der in der Zeichnung nicht eigens dargestellt ist. Das Ziehgefäß besitzt einen Gaseinlaß 21, einen zu einer in der Zeichnung nicht dargestellten Vakuumpumpe führenden Gasauslaß 23 und ein PensterJL9, das eine Beobachtung des ZieVorganges für den Kristall 9 gestattet.

Während des Wachsens des Kristalls 9 enthält das Ziehgefäß 1 normalerweise eine inerte Gasatmosphäre. Das inerte Gas wird über den Gaseinlaß 21 in das Ziehgefäß 1 eingeführt, nachdem dieses über den Gasauslaß 23 evakuiert worden ist. Während des Evakuierungsvorganges dient ein Abschlußventil 25, das unten in Verbindung mit Fig. 5 im einzelnen beschrieben wird, zum Abdichten des Ziehgefäßes 1 an der Eintrittsstelle des Ziehstabes in das Ziehgefäß 1.

Der Ziehstab 11 muß Freiheit haben, sich entlang seiner Achse von der geschmolzenen Charge 7 weg zu bewegen und sich gleichzeitig zu drehen, während er keinen

409819/099 5

- ίο -

variablen Kräften ausgesetzt sein darf, die durch die Wägezelle 53 aufgezeichnet werden könnten.

Eine Leitspindel 31* die koaxial zu dem außerhalb des Ziehgefäßes 1 liegenden Teil des Ziehstabes 11 verläuft, dient zur Erzeugung der axialen Translationsbewegung des Ziehstabes 11. Diese Leitspindel 31 trägt auf dem größeren Teil ihrer Länge ein Schraubengewinde 32. Die Leitspindel 31 läßt sich um ihre eigene Achse drehen und erhält dabei ihren Antrieb von einem Motor 35 über Kegelräder 35. Die Leitspindel 31 trägt eine Leitspindelmutter 37, die ein Gewinde aufweist, das mit dem Gewinde 32 auf der Leitspindel 31 in Eingriff steht. Verbindungsstangen 39a und 59b sind mit ihren unteren Enden an der Leitspindelmutter 37 und mit ihren oberen Enden an einem Halteglied 41 befestigt. Eine Platte 129a ist am Halteglied 4l mittels Schrauben 121 befestigt, von denen in Fig. 1 eine sichtbar ist. Eine Platte 129b ist mit dem Halteglied 41 über Schrauben 128 und 123 verbunden, von denen in Fig. 1 jeweils eine sichtbar ist und die in einen Klotz 127 eingreifen, der an der Platte 129b und am Halteglied 4l anliegt. Die Wägezelle 53 ist zwischen den Platten 129a und 129b angeordnet und mit diesen Platten 129a und 129b über zwei Stäbe 130 verbunden, von denen in Fig.l einer sichtbar ist und die beide in einen Schlitz in der Wägezelle 53 eingreifen und jeweils an den Platten 129a und 129b befestigt sind.

Wenn die Leitspindel ^l durch den Motor 33 über die Kegelräder 35 in Drehung versetzt wird, bewegt sich die Leitspindelmutter 37 entlang der Leitspindel 31· Das Halteglied 4l, die Wägezelle 53 und der Ziehstab 11 sind

409819/0995

- li -

sämtlich in ihrer Höhe relativ zur Leitspindelmutter festgelegt und bewegen sich daher zusammen mit dieser in vertikaler Richtung.

Der Ziehstab 11 wird um seine Achse gedreht, um für den wachsenden Kristall 9 eine in thermischer Hinsicht radialsymmetrische Umgebung zu schaffen und außerdem für eine Rührung der geschmolzenen Charge J zu sorgen. Ein drehbar angeordneter Zylinder 47, der koaxial zu einem Teilstück des Ziehstabes 11 verläuft, läßt sich Über Kegelräder 51 durch einen Motor 49 in Drehung versetzen. Dieser Zylinder 47 ist mit einer Lagerbüchse 95 verbunden, die ihrerseits im Halteglied 4l in Ringlagern 45a und 45b gehalten wird. Eine Mutter 99, die einen Stift 107 trägt, ist auf dem oberen Ende der Lagerbüchse 95 befestigt und klemmt die inneren Laufringe der Ringlager 45a und 45t> auf der Lagerbüchse 95 fest. Der Stift 107 liegt zwischen den Zinken einer zweizinkigen Gabel 109, die am oberen Ende des Ziehstabes 11 befestigt ist. Die Zinken der Gabel sind mit einem Überzug aus Polytetrafluoräthylen versehen, um die Reibung zwischen der Gabel 109 und dem Stift 10? zu verringern. Diese Anordnung ermöglicht es, den Ziehstab 11 mit der gleichen Drehzahl in Drehung zu versetzen wie den Zylinder 47, wobei der Ziehstab seine vertikale Stellung beibehalten kann und keinen variablen Kräften ausgesetzt wird, die durch die Wägezelle 53 aufgezeichnet werden würden.

Mittels Schrauben 62a und 62b ist mit der Basis der Wägezelle 53 ein Gehäuse 55 verbunden. An dem Gehäuse ist mittels Schrauben 117a und 117b ein Ring II8 be-

40981 9/0995

festigt, der den äußeren Laufring des Pendellagers 43 (Fig. 2) im Gehäuse 55 festhält. Der innere Laufring des Pendellagers 43 wird auf dem oberen Ende des Ziehstabes 11 durch eine Schraube II9 festgehalten. Diese Anordnung wirkt wie eine kardanische Aufhängung zwischen dem Ziehstab 11 und der Wägezelle 53.

Die Wägezelle 53 besteht aus einer Federwaage, die als Ausgangssignal ein elektrisches Signal erzeugt. Das elektrische Ausgangssignal der Wägezelle 53 dient zur kontinuierlichen Überwachung der auf den Ziehstab 11 während des Wachsens des Kristalles 9 einwirkenden vertikalen Kraft. Die Wägezelle 53 kann eine Wägezelle der Serien 6OO5 oder 6OO5C sein, wie sie von der Hunting Engineering Limited in Bedford in England in den Handel gebracht wird. Eine solche Wägezelle enthält Biegeplatten, die zum einen mit einer Feder verbunden und zum anderen starr an dem beweglichen Anker eines linear variablen Differentialtransformators befestigt sind. Wenn auf eine dieser Platten entgegen der Wirkung der Feder eine Kraft aufgebracht wird, bewegt sich der Anker des Differentialtransformators, und das elektrische Ausgangssignal des Differentialtransformators, das der angelegten Kraft proportional ist, verändert sich entsprechend.

Die von der Wägezelle 53 bestimmte Kraft ist die Summe aus mehreren Komponenten, die unten im einzelnen erläutert werden und von denen einige wie beispielsweise das Gewicht des Ziehstabes 11 und der daran befestigten Bauelemente während des gesamten Wachsens des Kristalles 9 im wesentlichen konstant bleiben. Die Auswirkungen dieser konstanten Kraftkomponenten lassen sich dadurch ausschalten,

409819/0995

daß das elektrische Ausgangssignal der Wägezelle 53 vor Beginn des Wachsens des Kristalls 9 unter der alleinigen Einwirkung der auf die Wägezelle 53 wirkenden konstanten Kraftkomponenten auf den Wert Null eingestellt wird.

Das elektrische Ausgangssignal aus der Wägezelle wird mit einem ähnlichen elektrischen Signal verglichen, das ein Maß für die zu einem gegebenen Zeitpunkt für den Ziehstab 11 erwartete vertikale Kraft liefert, und eine etwaige Differenz zwischen diesen beiden Signalen wird in einer geschlossenen Steuerschleife für die Einstellung des Wachsprozesses für den Kristall 9 verwendet.

Die zur Schaffung der geschlossenen Steuerschleife für die Steuerung des Kristallwachsprozesses verwendete Schaltung ist in Fig. 3 in Form eines Blockschaltbildes dargestellt. In Fig. 3 ist an eine Speisespannungsquelle 55 ein Widerstand 57 angeschlossen, der ein positives Ende 60 und ein geerdetes Ende 62 aufweist. Ein Anteil der Spannung am Widerstand 57 wird über einen variablen Kontakt 58 am Widerstand 57 an einen Widerstand 59 gelegt,der dem Widerstand 57 insoweit parallel liegt, als auch er ein geerdetes Ende aufweist. Zwischen dem Kontakt 58 am Widerstand 57 einerseits und dem Widerstand 59 andererseits ist ein Bauelement 68 mit nichtlinearem Verhalten eingefügt. Der Widerstand 59 weist einen variablen Kontakt 6l auf, von dem eine Verbindungsleitung zu einem linearen Differenzverstärker 65 führt. Der lineare Differenzverstäiker 65 wird an einem zweiten Eingang über eine Leitung 67 gespeist, die von der Wägezelle 53 kommt. Das Ausgangssignal des linearen Differenz-

409819/0995

2Ί451Κ8

Verstärkers 65, das ein für die Differenz zwischen der Spannung auf der Leitung 67 und der Spannung auf der ' Leitung '6j5 ist, wird einer in üblicher Weise ausgeführten Leistungssteuerung 69 zugeführt. Außerdem läßt sich dieses Ausgangssignal mit Hilfe eines Meßgerätes 72 überwachen.

Die Leistungssteuerung 69 sorgt für die Stabilisierung der Ausgangsleistung einer in üblicher Weise ausgebildeten Hochfrequenzheizung 7I für das Kristallziehen, die über Leitungen 15 und 17 eine Hochfrequenzheizspule 13 (Fig.l) mit Hochfrequenzleistung versorgt. Der in der Leitung 15 fließende Hochfrequenzstrom wird durch einen in üblicher Weise ausgeführten Stromtransformator 735 erfaßt, und dessen Strom wird auf die Leistungssteuerung 69 zurückgekoppelt, in dieser quadriert und in üblicher Weise zur Stabilisierung der durch die Leistungssteuerung 69 der Hochfrequenzheizung 71 zugeführten Leistung gegen Fluktuationen verwendet.

Das Ausgangssignal aus dem linearen Differenzverstärker 65 wird in der Leistungssteuerung 69 ebenfalls quadriert und dient zum Modulieren der der Hochfrequenzheizung 71 über die Leistungssteuerung 69 zugeführten Leistung.

Die Temperaturverteilung in der Charge 7 wird durch die Höhe der der Heizwicklung 13 zugeführten Heizleistung bestimmt. Wenn diese Heizleistung gesteigert wird, verschiebt sich die Lage der Temperaturisothermen in der Charge 7 nach oben, während umgekehrt bei einer Absenkung

40981 9/0995

der Heizleistung die Lage dieser Isothermen sich nach unten verschiebt. Die Querschnittsfläche des Kristalls wird durch die Lage der Isothermen in der Charge 7 bestimmt. Daher wird auch die Querschnittsfläche des Kristalls 9 durch die Größe der über die Heizwicklung dem Schmelztiegel 5 zugefUhrten Heizleistung bestimmt, die ihrerseits von dem Leistungspegel abhängt,der durch die Leistungssteuerung 69 an die Hochfrequenzheizung 71 abgegeben wird. Daher läßt sich jede an der Querschnittsfläche für den Kristall 9 vorzunehmende Korrektur mit Hilfe des linearen Differenzverstärkers 65 vornehmen, der die Leistungssteuerung 69 mit einem Signal speist, dessen Größe für das Ausmaß der geforderten Korrektur repräsentativ ist.

Weiter unten wird gezeigt werden, daß das Ausgangssignal der Wägezelle 53, das ein Maß für die auf den Ziehstab 11 ausgeübte variable vertikale Kraft darstellt, bei dieser Ausführungsform der Erfindung eine Anzeige für die notwendige Änderung in der Querschnittsfläche des Kristalls 9 liefert.

Die Lage des Kontaktes 58 am Widerstand 57 wird während des Wachsens desKristalls 9 automatisch so geregelt,daß das Potential am Kontakt 58 während der Wachsperiode für den Kristall 9 sich kontinuierlich von seinem Minimalwirt zu seinem Maximalwert verändert. Dadurch wird es möglich, an den Widerstand 59 eine kontinuierlich variierende Potentialdifferenz anzulegen. Der Kontakt 6l am Widerstand 59 wird so voreingestellt,daß es möglich wird, einen konstanten Bruchteil dieser Potentialdifferenz

409819/0995

als Bezugssignal an den linearen Differenzverstärker anzulegen. Die Lage des Kontaktes 61 am Widerstand 59 kann vor Beginn des Wachsprozesses für den Kristall 9 aus der Dichte des kristallinen Materials für den Kristall 9 und seiner erwarteten Wachstumsgeschwindigkeit berechnet werden.

Während der ersten Stufen des Kristallwachstums, das heißt normalerweise für etwa das erste Zehntel der Wachstumszeit für den Kristall 9, ist es erforderlich, die Querschnittsfläche von der Querschnittsfläche des Kristallkeimes 9a auf die des Kristalls 9 zu vergrößern. Dies wird automatisch durch das Bauelement 68 mit nichtlinearem Verhalten bewirkt, das zweckmäßig eine in Vorwärtsrichtung vorgespannte Diode, beispielsweise eine Siliziumdiode, ist. Dieses Bauelement 68 ermöglicht einen An&tieg des Potentials am positiven Ende des Widerstandes 59 in Entsprechung zur Vorwärtscharakteristik dieses Bauelements 68. Normalerweise weisen in Vorwärtsrichtung vorgespannte Dioden eine Kennlinie für den Strom in Vorwärtsrichtung auf, die bis zu einem Wert von 1 Volt einer quadratischen Gesetzmäßigkeit in Bezug auf die Zeit folgt, während diese Dioden bei höheren Spannungen in Vorwärtsrichtung ein rein ohmsches Verhalten zeigen. Daher liegt die Ausgangsspannung der Speisespannungsquelle 55 zweckmäßig bei etwa 10 Volt, wodurch es möglich wird, die Querschnittsfläche von der des Kristallkeims 9a entsprechend einem äquivalenten quadratischen Gesetz gegenüber der Zeit während des ersten Zehntels der Verschiebung des Kontaktes 58 am Widerstand 57 auf die Quersehnittsfläche des Kristalls 9 zu vergrößern.

409819/0995

Das Potentiometer, das den Kontakt 58 und den Widerstand 57 enthält, muß so ausgebildet sein,daß der Kontakt 61 entlang des Widerstandes 59 mit der gleichen Geschwindigkeit verschoben wird, wie der Kristall 9 an Länge zunimmt. Ein Beispiel für eine mögliche Ausführungsform für ein solches Potentiometer ist in Fig. 4 veranschaulicht, wobei dieses Potentiometer in Form eines Schnittbildes durch das entsprechende Gerät dargestellt ist. In der Darstellung in Fig.4 enthält ein Glasrohr 75 an einem Ende einen Stopfen 77 und am anderen Ende eine lose eingesetzte Kappe 79. Mit dem e inen Ende des Glasrohres 75 ist mit Hilfe des Stopfens 77 ein Draht 8l verbunden, der innerhalb des Glasrohres 75 endet. Am anderen Ende des Glasrohres 75 ist ein Draht 8j5 angeordnet, der ebenfalls im Inneren des Glasrohres 75 endet. Das Glasrohr 75 ist mit einer leitenden Flüssigkeit 85 wie beispielsweise gewöhnlicher Kochsalzlösung gefüllt, die zur Verringerung ihrer Verdampfung mit einer ölsehicht überschichtet sein kann. Weiterhin ist im Glasrohr 75 ein Glasrohr angeordnet, das einen Draht 9I enthält, der mit einer Spitze 89 der Flüssigkeit 85 ausgesetzt ist. Das Glasrohr 87 ist mit Hilfe eines daran befestigten Abstandsringee 88 aus Polyäthylen im Glasrohr 75 gleitend geführt. Außerdem geht das Glasrohr 87 in gleitend verschiebbarer Weise duroh die Kappe 79 hindurch. Der Draht 91 erstreckt sloh über das Ende dee Glasrohr«87 hinaus aus dem Glasrohr 75 heraus nach außen.

Der Draht 8l bildet das geerdete Ende 62 des Widerstandes 57 (Fig.3), während der Draht 83 das positive Ende 60 dieses Widerstandes 57 darstellt. Die leitende Flüssigkeit 85 zwischen den Drähten 81 und 8? bildet den Widerstand 57 selbst, und die in die Flüssigkeit 85 ein-

409819/0995

tauchende Spitze 89 des Drahtes 91 stellt den Kontakt 58 für den Widerstand 57 dar. Die Konzentration der Flüssigkeit 85 wird vor Beginn des Wachstumsprozesses für den Kristall 9 so eingestellt, daß sich ein passender Widerstandswert ergibt. Das Glasrohr 87 wird an seinem außerhalb des Glasrohres 75 liegenden Ende an der Leitspindelmutter 37 (Pig.l) mit Hilfe in der Zeichnung nicht näher dargestellter üblicher Mittel befestigt, die es ermöglichen, das Glasrohr 87 und damit auch die Spitze 89 mit der gleichen Geschwindigkeit durch die Flüssigkeit 85 hindurchzubewegen, mit der sich die Leitspindelmutter 37 entlang der Leitspind·! 31 bewegt. Daher nimmt bei Annäherung der Spitze 89 am Draht 91 in der Flüssigkeit 85 an den Draht 83 das Potential des Drahtes 91 kontinuierlich zu. Die Potentialdifferenz zwischen der Spitze 89 - also dem Kontakt 58 - und dem Draht 8l - also dem geerdeten Ende 62 de» Widerstandes 57, dient wie bereits oben erläutert dazu, an den Widerstand 59 eine kontinuierlich zunehmende Potentialdifferenz anzulegen, von der ein konstanter Bruchteil über die Verbindungsleitung 63 als kontinuierlich zunehmendes Bezugsignal in den linearen Differenzverstärker 65 eingespeist wird. Die Lage der Leitspindelmutter 37 entlang der Leitspindel 31, von der das Potential am Draht 91 abhängt» 1st ihrerseits ein Mafi für die Länge des Kristalls 9. Dies liegt daran, das die ieitepindelmutter 37 in Ihrer Höhenlage relativ zum Ziehstab 11 festgelegt 1st, an dem wiederum der Kristall 9 befestigt ist. Die Lage der Leitspindelmutter 1st nlclfc ein absolutes Maß für die Länge des Kristalls 9, da die Länge des Kristalls 9 außerdem durch das Absinken des Pegels der geschmolzenen Charge 7 im Schmelztiegel 5 zunimmt. Auch wird die von der Leitspindelmutter 37

409819/0995

—iy -

in vertikaler Richtung zurückgelegte Strecke im allgemeinen nicht gleich der vertikalen Bewegungsstrecke für den Ziehstab 11 sein,da sich die Biegeplatten der Wägezelle 53 unter der Einwirkung der zugehörigen Feder durchbiegen. Diese Fehler bei Messung der Länge des Kristalls 9 anhand des Potentials des Drahtes 91 fallen im allgemeinen jedoch sehr klein ausj da sie außerdem stets in einem konstanten Verhältnis zur wahren Länge des Kristalls 9 stehen, sofern nur der Schmelztiegel 5 im Bereich der Phasengrenze zwischen der geschmolzenen Charge 7 einerseits und dem gezogenen Kristall 9 andererseits eine gleichförmige Querschnittsfläche aufweist, können diese Fehler bei der anfänglichen Einstellung des Kontaktes 61 am Widerstand 59 berücksichtigt werden.

Als Alternative zur Verbindung zwischen dem Kontakt am Widerstand 57 einerseits und dem Widerstand 59 andererseits über das Bauelement 68 mit nichtlinearem Verhalten ist es auch möglich, b£i einer anderen Ausführungsform der Erfindung ein Potentiometer zu verwenden, dessen Widerstandswert auf etwa dem ersten Zehntel des Verschiebungsweges seines variablen Kontaktes in nichtlinearer Weise mit der Verschiebungsstrecke variiert.

In Fig.5 ist ein Schnitt durch das Gaslager 27 und das Abschlußventil 25 der in Fig. 1 dargestellten und in Verbindung mit dieser Darstellung beschriebenen Zieheinrichtung dargestellt. Das Gaslager 27 enthält einen inneren Zylinder l4l, der von einem äußeren Zylinder umgeben ist. In den äußeren Zylinder 143 ist in ein Loch 147 ein Gaseinlaßrohr 145 eingeschoben. Das Loch im äußeren Zylinder 145 erstreckt sich bis zum inneren

409819/0995

23Α50Λ8

Zylinder l4l. Im inneren Zylinder 141 findet das Loch seine Fortsetzung in einer Ringnut 149, die zu einer Serie von Löchern l49a und Gasinjektionsdüsen 149b führt, die nach innen auf den Ziehstab 11 gerichtet sind. Oberhalb der Gasinjektionsdüsen I49b ist in den inneren Zylinder 141 eine Ringnut 151 eingearbeitet. Eine ähnliche Ringnut 155 ist im inneren Zylinder l4l auch unterhalb der Gasinjektionsdüsen l49b vorgesehen. Eine Serie von Löchern 151a im inneren Zylinder 141 führt von der Ringnut 15I zu einer Ringnut 153 im äußeren Zylinder 143· Eine entsprechende Serie von Gasauslaßbohrungen 153a führt von der Ringnut 153 duroh den äußeren Zylinder 143 hindurch zu dessen Außenseite.

Ein Gas, beispielsweise Luft oder ein Inertgas, wird über das Gaseinlaßrohr 145 und das Loch 147 in die Ringnut 149 und entlang der Löcher 149a und der Gasinjektionsdüsen l49b gepumpt. Auf diese Weise wird eine Serie von Gasstrahlen ausgebildet, die als konstante Kraft auf den Ziehstab 11 einwirken und ihn in zentraler Lage im Gaslager 27 halten. Anschließend tritt dieses Gas in die Ringnuten I51 und 155 ein, strömt durch die Löcher 151a und 155a zu den Ringnuten 153 und 157 und entweicht durch die Auslaßbohrungen 153a und 157a im äußeren Zylinder 143 hinduroh nach außen. Das Gaslager 27 ermöglicht eine Zentrierung des Ziehstabes 11 ohne die Ausübung von variablen Reibungskräften auf den Ziehstab 11, dLe von der Wägezelle 53 aufgezeichnet werden würden.

Das Abschlußventil 25 ist zwischen dem Gaslager und einem Kragen 159 am Ziehgefäß 1 eingefügt. Den Hauptbestandteil des Abschlußventils 25 bildet ein Zylinder I6I. In einer Ausnehmung I65 zwischen dem Zylinder Ιοί, dem Kragen I59 am Ziehgefäß 1 und dem inneren Zylinder l4l

409819/0995

des Gaslagers 27 ist ein Gummiring -163 angeordnet. In dem dem Gummiring I63 benachbarten TeilstUck des Zylinders 16I ist eine Ringnut 1β7 vorgesehen. Von der Ringnut I67 zu einer Seite des Zylinders l6l führt eine Bohrung 169, in die ein Rohr I7I eingesetzt ist. Am freien Ende des Rohres 17I ist daran eine Kappe I75 befestigt. Diese Kappe 173 enthält eine zentrale Bohrung mit einem Innengewinde 175· In dieses Innengewinde 175 ist ein Kolben I77 mit Außengewinde eingeschraubt, der an seinem inneren Ende 179 innerhalb des Rohres 171 einen Dichtungsring 179a trägt, der an der Innenseite des Rohres I7I gleitend anliegt. Das Rohr 171, die Bohrung 169 und die Ringnut I67 sind mit einer hydraulischen Flüssigkeit 181 gefüllt.

Das Abschlußventil 25 ermöglicht es, das Ziehgefäß 1 abzudichten, während dieses Ziehgefäß 1 vor Beginn des Wachsens des Kristalls 9 evakuiert und anschließend mit Gas gefüllt wird. Wenn der Kolben 177 in die Kappe hineingeschraubt wird, wird die hydraulische Flüssigkeit 171 zusammengepreßt, wodurch sie ihrerseits auf den Gummiring I63 drückt und diesen zusammenpreßt und eng an den Ziehstab 11 anlegt, so daß auf diese Weise das Ziehgefäß 1 an der Austrittsstelle des Ziehstabes dicht abgeschlossen wird. Der Gummiring I6j5 läßt sich anschließend in analoger Weise wieder vom Ziehstab 11 lösen, indem der Kolben 177 weiter aus der Kappe 173 herausgeschraubt wird. Während des Wachsens des Kristalls.9 wird das Ziehgefäß 1 dadurch gegen Verunreinigungen abgedichtet, daß ein langsamer Austritt von Gas aus dem Ziehgefäß 1 in den Außenraum zugelassen wird.

409819/0995

Zur Aufrechterhaltung eines konstanten positiven Druckes im Ziehgefäß 1 können in der Zeichnung nicht dargestellte äußere Einrichtungen vorgesehen sein, um zu vermeiden, daß auf den Ziehstab 11 infolge von , Gasdruckänderungen variable Kräfte zur Einwirkung kommen. Derartige Einrichtungen sind erforderlich, um einen Austritt von Gas aus dem Gaslager 27 inüas Ziehgefäß hinein zu vermeiden, wenn das dem Gaslager 27 zugefUhrte Gas nicht das gleiche Inertgas ist wie das Inertgas für die Füllung des Ziehgefäßes 1 und wenn der Gasdruck für die Speisung des Gaslagers 27 in s onstiger Weise größer ist als der im Ziehgefäß 1 herrschende Gasdruck.

Mit dem Ziehgefäß 1 kann außerdem eine in der Zeichnung nicht dargestellte Reservoirkammer verbunden sein, so daß bei Aufheizen des Inhalts des Ziehgefäßes 1 während des Wachsens des Kristalls 9 Änderungen in der auf den Ziehstab 11 infolge der dynamischen Wirkung des Gases inteiehgefäß 1 einwirkenden Kraft gedämpft werden, da das Gas im Ziehgefäß 1 in die Reservoirkammer entweichen kann.

Die Wägezelle 5J5 dient dazu, die auf den Ziehstab 11 wirkende vertikale Kraft zu messen. Der bisher bekannte Stand der Technik hat es als möglich erwiesen, das GewLcht des Schmelztiegels und der darin enthaltenen Schmelze zu messen. Eine Messung der auf den Ziehstab 11 wirkenden vertikalen Kraft ist demgegenüber jedoch aus folgenden Gründen als überlegenjzu betrachten.

Bei unter hoher Temperatur ablaufenden Wachsprozessen kann es zu einem auf Verdampfung zurückgehenden Gewichtsverlust für den Schmelztiegel kommen, der auf diese Weise

409819/0995

fälschlich eine Gewichtsanderung durch den Ziehvorgang vortäuschen würde. Auch die bei verschiedenen kristallinen Materialien zu beobachtende Verdampfung aus der Schmelze wQrde zu dem gleichen Ergebnis führen, wenn das Gewicht von Schmelztiegel und Schmelze als Maß für die Länge des gezogenen Kristalls herangezogen wird. Außerdem können sich bei der üblicherweise eingesetzten Induktionsheizung mit Hochfrequenz fürjden Schmelztiegel geringfügige nach aufwärts gerichtete Hubkräfte einstellen, die ebenfalls eine Gewichtsveränderung des Schmelztiegels vortäuschen und damit die darauf beruhende Längenmessung für den gezogenen Kristall verfälschen können. Schließlich ist das tote Gewicht der Schmelze und des Schmelztiegels und seines Trägers im allgemeinen erheblich größer als das Gewicht des Ziehstabes und des gezogenen Kristalls, so daß es nur schwer gelingt, bei Anwendung der oben beschriebenen Technik mit Messung des Gewichts von Tiegel und Schmelze eine befriedigende Empfindlichkeit zu erreichen.

Die von der Wägezelle gemessene, vertikale Kraft f ergibt sich aus mehreren Beiträgen. Zunächst enthält sie das Gewicht des Ziehstabes 11 und der daran befestigten Bauteile. Zum zweiten trägt auch das Gewicht des Kristalls*9 selbst zu dieser Kraft f bei. Zum dritten gibt es eine a,uf das umgebende Gas im Ziehgefäß 1 zurückgehende Auftriebskraft. Zum vierten geht in diese Kraft f auch das Gewicht der Flüssigkeit - derteeschmolzenen Charge 7 - ein, das durch Oberflächenspannung getragen wird, also in Form eines Halskragens vorliegt, und schließlich ist auch die vertikale Komponente der Oberflächenspannung selbst von Einfluß.

409819/0995

Wenn der Kristall 9 mit stetiger Geschwindigkeit als gerader Kreiszylinder wächst, dann wird die Geschwindigkeit df/dt für die Zunahme der Kraft f konstant und proportional zum Quadrat des Durchmessers d des Kristalls 9, das ja seinerseits ein Maß für dessen Querschnittsfläche ist. Wenn jedoch der Durchmesser d des Kristalls 9 sich mit der Zeit ändert, so wird sich auch das Gewicht der von der Oberflächenspannung getragenen Flüssigkeit und die vertikal gerichtete Komponente der Oberflächenspannung mit der Zeit ändern, und die Geschwindigkeit df/dt der Zunahme der Kraft f wird nicht mehr einfach proportional zum Quadrat des Durchmessers des Kristalls 9 an der Phasengrenze zwischen Flüssigkeit und Feststoff.

Untersuchungen haben gezeigt, daß die Art und Weise, in der sich die Geschwindigkeit df/dt bei Änderung des Durchmessers d ändert,, davon abhängt, ob das kristallisierbare Material in der Charge 7 in seinem kristallinen Zustand mehr oder weniger dicht ist als in seinem geschmolzenen Zustand oder nicht.

Für kristallisierbare Materialien, die in ihrem kristallinen Zustand eine höhere Dichte aufweisen und mit endlicher Wachstumsgeschwindigkeit wachsen, nimmt die Geschwindigkeit df/dt bei Zunahme des Durchmessers d stetig zu, sie wächst jedoch im allgemeinen nicht streng proportional zum Quadrat d des Durchmessers d. Für diese Klasse von Materialien erweist sich jedoch das Steuersystem mit geschlossener Steuerschleife, wie es oben in Verbindung mit Fig. 1 und Fig. J5 beschrieben ist und bei dem die Kraft f gemessen und mit dem dafür erwarteten

4098 19/0995

Wert verglichen wird, als sehr zufriedenstellend. Es ist auch möglich, ein Gerät zu bauen, das ein ähnliches Steuersystem enthält, durch das aber die Geschwindigkeit df/dt selbst gemessen und mit einem konstanten Bezugssignal, nämlich dem für eine konstante Geschwindigkeit df/dt erwarteten Wert, verglichen wird. Die unterschiede zwischen dem gemessenen Wert für die Geschwind igkeit df/dt und dem Bezugssignal dienen dann in der gleichen Weise wie oben in Verbindung mit Pig. I und Fig. 2 beschrieben zur Steuerung der Querschnittsfläche des Kristalls 9.

Für Materialien jedoch, die in ihrem geschmolzenen Zustand eine höhere Dichte aufweisen als in. ihrem kristallinen Zustand und die mit einer endlichen Wachstumsgeschwindigkeit wachsen, ist die Abhängigkeit der Geschwindigkeit df/dt vom Durchmesser d nicht mehr stetig, und sie hängt in starkem Maße von der Geschwindigkeit ab, mit der sich der Durchmesser d ändert, wobei lediglich sehr kleine Änderungsgeschwindigkeiten für den Durchmesser d ausgenommen sind. Es kann dann der Fall eintreten, daß die Geschwindigkeit df/dt bei Beginn der Zunahme des Durchmessers d zunächst abnimmt und erst später dann ζ unimmt.

Umgekehrt kann die Geschwindigkeit df/dt mit Abnahme des Durchmessers d zunächst zunehmen und sodann abnehmen. In diese Kategorie von Materialien fallen viele Halbleitermaterialien wie beispielsweise Germanium Ge, Silizium Si, Galliumarsenid GaAs und Galliumphosphid GaP.

409819/0995

- 2β -

Dieser Effekt führt zu Instabilitäten, wenn ein Steuersystem mit geschlossener Steuerschleife verwendet wird, wie es oben in Verbindung mit Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben ist. Diese Wirkung tritt bei geringen Wachstumsgeschwindigkeiten für den gezogenen Kristall mit größerer Wahrscheinlichkeit auf als für höhere Wachstumsgeschwindigkeiten. Zur Beseitigung dieser Instabilitäten bedarf es einer Aufbereitung des von der Wägezelle 5J5 gelieferten Signals. Diese Signalverarbeitung muß zu einem Signal führen, das repräsentativ ist für den Durchmesser - oder die Querschnittsfläche - des Kristalls 9 an der Phasengrenze zwischen Flüssigkeit und Feststoff. Dies läßt sich auf verschiedenerlei Weise erreichen, beispielsweise:

a Durch analoge Simulation der Differentialgleichung, die den Zusammenhang zwischen der Kraft f und dem Durchmesser d - oder der Querschnittsfläche - des Kristalls 9 oder eine zeitliche Ableitung dieses Zusammenhanges beschreibt,

b durch digitale Simulation dieser Differentialgleichung unter Verwendung eines Kleinrechners,

c mehr angenähert durch Integration des von der Wägezelle 53 über die Leitung 67 gelieferten Signals über eine Zeit, die experimentell optimiert werden muß.aber sich angenähert zu

g, (1 - fe

ergibt, wobei ν für die Ziehgeschwindigkeit und Ic und Im für die Dichten des Kristalls 9 bzw. der geschmolzenen Charge 7 stehen.

409819/0995

Das aufbereitete Signal muß dann mit einem Bezugssignal verglichen werden,das den erwarteten Wert für das aufbereitete Signal darstellt. Das durch diesen Vergleich dieser beiden Signale gewonnene Vergleichssignal kann dann in der gleichen Weise für die Steuerung der Querschnittsfläche für den Kristall 9 herangezogen werden, wie dies oben in Verbindung mit Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben ist.

Für den Fachmann liegt es auf der Hand, daß sich eine Steuerung der Querschnittsfläche (des Durchmessers) des Kristalls 9 (Fig.l) mit geschlossener Steuerschleife dadurch erhalten läßt, daß das vom linearen Differenzverstärker 65 (Fig.5) gelieferte Signal nicht der Leistungssteuerung 69 (Fig. J>), sondern zwei in der Zeichnung nicht dargestellten Steuerungen zugeführt wird, die normalerweise zum Antrieb des Motors 35 bzw. des Motors 49 dienen. Die Modulation der dem Motor 49 oder dem Motor 55 zugeführten Leistung auf diese Weise führt im einen Falle zu einer Änderung in der Drehgeschwindigkeit für den Ziehstab 11 und im'anderen Falle zu einer Änderung der vertikalen Translationsgeschwindigkeit für den Ziehstab 11. Jede dieser Änderungen führt zu einer korrigierenden Änderung für die Querschnittsfläche für den wachsenden Kristall 9.

Weiter ist für den Fachmann offensichtlich, daß sich die Erfindung in Verbindung mit speziellen Ziehtechniken für das Wachsen von Kristallen verwenden läßt, wie sie beispielsweise unter den Begriffen Pedestaltechnik, für die ein Beispiel von W.C. Dash in J. Applied Physics 29,

409819/0995

Seite 736 (I958) beschrieben ist, oder Fließzonentechnik, für die ein Beispiel von P. H. Kech und M.J.H. Goley in Physical Rev 8<?, Seite 1297 (1953) beschrieben ist, oder FlUssigkeitskapselungstechnik bekannt sind, für die Beispiele in der GB-PS 1 II3 und der US-PS 3 401 023 angegeben sind.

409819/0995

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum'Herstellen von kristallinen Körpern mit einer Schmelzeinrichtung zum Erzeugen einer Schmelze aus einem vorgegebenen kristallisierbaren Material und einer Zieheinrichtung zum Ziehen von Kristallen aus der Schmelze mit einem starren langgestreckten Ziehglied, das eine Ziehachse für das Kristallziehen festlegt, und einer Wägezelle, die zum Zwecke einer Steuerung der gezogenen Kristalle mit geschlossener Schleife ein mit der auf das Ziehglied entlang der Ziehachse ausgeübten Kraft zusammenhängendes Signal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rotationseinrichtung (33, 49) zum Drehen des Ziehgliedes (11) um die Ziehachse der Kristalle (9) vorgesehen ist und daß die Wägezelle (53) an dem der Schmelzeinrichtung (5) abgewandten Ende des Ziehgliedes (11) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Wägezelle (53) zu der Bauart mit einer Feder und einem Wandler gehört, der so angeordnet ist, daß er ein mit der Spannung der Feder in Zusammenhang stehendes elektrisches Ausgangssignal erzeugt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mit geschlossener Schleife ausgebildete Steuersystem eine Einrichtung zum Erzeugen eines dem erwarteten Wert für das von der Wägezelle (53) erzeugte Signal zugeordneten Signals, einen Komparator zum Vergleichen dieser beiden Signale und einer Einrichtung zum Steuern der Quer-

409819/0995

schnittsfläche für die gezogenen Kristalle (9) in Reaktion auf ein etwaiges Ausgangssignal des Komparators enthält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mit geschlossener Schleife ausgebildete Steuersystem eine Einrichtung zum Erzeugen eines Signals, das mit einer zeitlichen Differentialfunktion des von der Wägezelle (53) erzeugten Signals zusammenhängt, eine Einrichtung zum Erzeugen eines Signals, das mit dem erwarteten Wert dieser Funktion Eusammenhängt, einen Komparator zum Vergleichen der zeitlichen Differentialfunktion und ihres erwarteten Wertes und eine Einrichtung zum Steuern der Querschnittsflache der gezogenen Kristalle (9) in Reaktion auf ein etwaiges Ausgangssignal dieses Komparators enthält.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtung zum Steuern der Querschnittsfläche der gezogenen Kristalle (9) die für deren Ziehen vorgesehene Zieheinrichtung (11) verwendet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtung zum Steuern der Querschnittsfläche für die gezogenen Kristalle (9) die Einrichtung"zum Drehen des Ziehgliedes (11) um die Ziehachse der Kristalle (9) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtung zum Steuern der Querschnittsfläche der gezogenen Kristalle (9) die Schmelzeinrichtung (5) zum Schmelzen des kristallisierbaren Materials vorgesehen ist.

409819/0995

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtung zum Erzeugen eines dem erwarteten Wert für das von der Wägezelle erzeugte Signal zugeordneten Signals ein Potentiometer vorgesehen ist, dessen variabler Kontakt so angeordnet ist, daß er. seine Lage linear mit der Entfernung und/oder der Zeit ändert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8,dadurch gekennzeichnet, daß der variable Kontakt des Potentiometers ein elektrisches Bauelement mit nichtlinearer Impedanz in Vorwärtsrichtung für einen Teil des niederspannungsseitigen Endes des Bereichs für den variablen Kontakt enthält.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand des Potentiometers in einem Teil des niederspannungsseitigen Endes für den Bereich des variablen Kontaktes in nichtlinearer Weise mit der Entfernung variiert.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ziehglied (11) ein gleichförmiger zylindrischer Ziehstab ist, der an der Wägezelle (53) frei aufgehängt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ziehstab (11) und der Wägezelle (53) eine Kupplung vorgesehen ist, die eine Drehung des Ziehstabes (11) durch einen Rotationsantrieb ohne gleichzeitige Drehung der Wägezelle (53) ermöglicht.

409819/0995

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung zwischen Ziehstab (11) und WägezeHe (53) ein Pendellager (43) ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13* dadurch gekennzeichnet-, daß an einer der Wägezelle (53) abgewandten Stelle entlang des Ziehstabes (11) ein Lager (27) mit geringer Lagerreibung angeordnet ist, das die Ziehachse für die Kristalle (9) in Relation zur Schmelzeinrichtung (5) fixiert.

15· Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager mit geringer Lagerreibung ein Gaslager (27) ist.

409819/0995

Leerseite