DE2449275A1 - DEVICE FOR PULLING A CRYSTAL FROM A MELT - Google Patents
DEVICE FOR PULLING A CRYSTAL FROM A MELTInfo
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Description
PATENTANWÄLTEPATENT LAWYERS
DIPL.-ING. ERNST RATHMANNDIPL.-ING. ERNST RATHMANN
Mönchen 7i, 16. OktoberMonks 7i, October 16
Melchloretr. 42Melchloretr. 42
Unser Zeichen: M0165P-1212Our reference: M0165P-1212
Motorola, Inc. 5725 East River Road. Chicago, Illinois V.St.A.Motorola, Inc. 5725 East River Road. Chicago , Illinois V.St.A.
Vorrichtung zum Ziehen eines Kristall s. aus. einer S.^ircvlz.eDevice for pulling a crystal see from. a S. ^ ircvlz.e
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ziehen eines Kristalls aus einer Schmelze, (Lerer. OoerflächeA-iiveau v/äh Tnd des Ziehens konstant gehalten wird.The invention relates to a device for pulling a Crystal from a melt, (Lerer. OoerflächeA-iiveau v / er Tnd of pulling is kept constant.
Die Czochralski-Methode zum Ziehen, ?xnes Kris\alles ist e^..-gemein bekannt, und es sind verschiedene! Massiv"ν.ειι "nekaiit;, um das Oberflächenniyeau der Schmelze im wesentlichen konstant' zu halten, während der Kristall aus der Schmelze gezogen wir-i. Diese Massnahmen, sei es, dass es sich um ein Regelsystem oder auch um ein einfaches Steuersystem handelt, sind nicht zufriedenstellend, da sie einerseits einen enormen technischen Aufwand erfordern, um eine gute Kristallqualität zu erhalten, und andererseits eine weitere Verbesserung der- Kristallqualität kaum noch möglich machen.The Czochralski method of pulling,? Xnes Kris \ everything is e ^ ..- known in common, and they are different! Massive "ν.ειι"nekaiit; in order to keep the surface level of the melt essentially constant while the crystal is pulled from the melt. These measures, whether it is a control system or a simple control system, are unsatisfactory because, on the one hand, they require enormous technical effort in order to obtain a good crystal quality and, on the other hand, hardly any further improvement in the crystal quality make possible.
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BAD ORIGIWALBATH ORIGIWAL
η Μ0163Ρ-1212 η Μ0163Ρ-1212
Per Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein System zu schaffen, um das Anheben und Absenken der Oberfläche der Schmelze, aus welcher der Kristall gezogen wird, "automatisch einzustellen,, wobei diese Oberfläche innerhalb sehr enger Grenzen auf einem konstanten Niveau gehalten werden kann. Dabei soll die zu diesem Zweck verwendete Einrichtung sehr einfach arbeiten und aufgebaut sein und eine weitere Verbesserung der Kristallqualität sowohl bezüglich der thermischen Stabilität als auch der Kristalldurchmesser möglich machen.The object of the invention is therefore to provide a device and to provide a system for raising and lowering the surface of the melt from which the Crystal is pulled, "automatically adjust," taking this Surface can be kept at a constant level within very narrow limits. This is intended for this purpose facility used to work and be very simple to set up and further improve the crystal quality both regarding the thermal stability as well as the crystal diameter make possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein Motorantrieb zum Anheben und Absenken des Schmelztiegels vorhanden ist, dass eine erste und eine zweite Strahlungsquelle je einen Lichtstrahl zur Oberfläche der Schmelze aussendet, wobei der Winkel zur Vertikalen für die beiden Lichtstrahlen verschieden ist, dass ein Strahlungsempfänger die von der Oberfläche reflektierten Lichtstrahlen empfängt und in Abhängigkeit von.den veränderten Einfallswinkeln der reflektierten Lichtstrahlen bei einer Niveauverschiebung der Oberfläche ein Signal an einen Schmelzniveauregler liefert, und dass der Schmelzniveauregler über eine Motorsteuerung den Motorantrieb derart ansteuert, dass der Schmelztiegel auf ein gewünschtes Niveau angehoben.bzw. abgesenkt wird.This object is achieved according to the invention in that a Motor drive for raising and lowering the crucible is available is that a first and a second radiation source each emits a light beam to the surface of the melt, where the angle to the vertical for the two light beams is different that a radiation receiver is that of the surface receives reflected light rays and depending on the changed angles of incidence of the reflected Light rays deliver a signal to a melt level controller when the surface shifts in level, and that the The melt level controller controls the motor drive via a motor control unit in such a way that the crucible is set to a desired one Level raised or is lowered.
Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.Further features and refinements of the invention are the subject matter of further claims.
Mit der erfindungsgemässen Einrichtung lässt sich in vorteilhafter Weise durch die Verwendung zweier Strahlen, die unter einem geringfügig verschiedenen Winkel auf die Oberfläche der Schmelze auftreffen, im Strahlungsempfänger die veränderte Lage des reflektierten Strahles feststellen und daraus ein Signal ableiten, das der Niveauänderung der Schmelze unmittelbar proportional ist. Dieses Signal wird nach einer weiterenWith the device according to the invention, it is possible to advantageously Way by using two rays that hit the surface of the at a slightly different angle Hitting the melt, the changed in the radiation receiver Determine the position of the reflected beam and derive a signal therefrom, which immediately reflects the change in the level of the melt is proportional. This signal is after another
- 2 - Verarbeitung - 2 - processing
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-» M0163P-1212- »M0163P-1212
Verarbeitung dem Antriebsmotor für das Anheben und Absenken des Schmelztiegels zugeführt, um diesen in seiner Höhenlage so lange zu verändern, bis die Oberfläche der Schmelze in dem gewünschten Niveau liegt. Für die Lichtstrahlen wird hierbei ein Rotlicht mit einer Wellenlänge von 6500 A ^. >Γ vorzugsweise verwendet. Die auf das Empfangssystem aux'tr-jifenden Rotlichtstrahlen bewirken je nach ihrer Lage die Erzeugung von grösseren oder kleineren Lade- bzw. Entladeimpulsen, die an einen Kondensator angelegt dessen Ladungsniveau entsprechend verändern, um daraus ein für die Höhenverstellung des Schmelztiegels entsprechendes Steuersignal abzuleiten.Processing fed to the drive motor for raising and lowering the crucible to keep it at its height to change until the surface of the melt in the desired level. A red light with a wavelength of 6500 A ^ is used for the light rays. > Γ preferably used. The aux'tr-jifenden on the receiving system Depending on their position, red light rays cause larger or smaller charge or discharge pulses to be generated, applied to a capacitor change its charge level accordingly, in order to use it for the height adjustment of the crucible to derive the corresponding control signal.
Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben dich auch aas der nachfolgenden Beschreibung eines AusführungsbeiSpieles in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:The advantages and features of the invention will also give you aas the following description of an exemplary embodiment in Connection with the claims and the drawing. Show it:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene schematische Darstellung der erfindungsgemässen Einrichtung zur automatischen Einstellung des Schmelzniveaus beim Wachsen eines Halbleiterkristalls;Fig. 1 is a partially sectioned schematic representation the inventive device for automatic Adjustment of the melting level when growing a semiconductor crystal;
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Einrichtung gemäss Fig. 1;FIG. 2 shows a plan view of the device according to FIG. 1;
Fig. 3 das Schaltbild des elektrischen Systems der Einrichtung gemäss Fig. 1;Fig. 3 shows the circuit diagram of the electrical system of the device according to FIG. 1;
Fig. 4a bis 4c schematische Darstellungen von Betriebszuständen bei der Verwirklichung der Erfindung.4a to 4c are schematic representations of operating states in realizing the invention.
In Fig. 1 ist eine Einrichtung 10 dargestellt, mit welcher ein Halbleiterkristall 11 aus einer Schmelze 12 geaogeu wei-cc-r. kann. Der Halbleiterkristall kann aus Silicium, Geriraniuji oder einem anderen geeigneten Material bestehen.In Fig. 1, a device 10 is shown with which a Semiconductor crystal 11 from a melt 12 geaogeu wei-cc-r. can. The semiconductor crystal can be made of silicon, geriraniuji or another suitable material.
- 3 - Die- 3 - The
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g M0163P-1212g M0163P-1212
Die Einrichtung 10 kann eine mehr oder weniger zylindrische Reaktionskammer herkömmlicher Form umfassen und aus einem Hauptzylinder 14, einem Basisteil 15 sowie einer AbdeckkuppelThe device 10 can comprise a more or less cylindrical reaction chamber of conventional shape and of one Master cylinder 14, a base part 15 and a cover dome
16 bestehen. Das Innere der Reaktionskammer 13 kann mit einer für den Reaktionsablauf geeigneten Atmosphäre gefüllt sein. Ferner ist im Innern der Reaktionskammer 13 ein Schmelztiegel16 exist. The interior of the reaction chamber 13 can be filled with an atmosphere suitable for the reaction to take place. Furthermore, a crucible is inside the reaction chamber 13
17 angeordnet, der z.B. aus Quarz bestehen kann und auf einer Welle 18 befestigt ist, welche vom Basisteil 15 aus in die Reaktionskammer 13 ragt und mit einem Getriebe 19 verbunden ist. Dem Getriebe 19 ist ein Antriebsmotor 21 zugeordnet, mit dessen Hilfe der Schmelztiegel 17 über die Welle 18 in Drehung versetzt und angehoben bzw. abgesenkt werden kann, um die Oberfläche 22 der Schmelze während des gesamten Ziehvorganges konstant zu halten.17, which can for example consist of quartz and is fastened on a shaft 18 which extends from the base part 15 into the Reaction chamber 13 protrudes and is connected to a gear 19. A drive motor 21 is assigned to the transmission 19, with the aid of which the crucible 17 can be set in rotation via the shaft 18 and raised or lowered to the surface 22 to keep the melt constant during the entire drawing process.
Der Schmelztiegel 17 ist von einer Heizung 23 herkömmlicher Art umgeben. Auf der Abdeckkuppel 16 ist ein Lager 24 angeordnet , durch welches eine Welle 25 geführt ist, die an ihrem unteren Ende den Impfkristall 26 trägt. Die Welle 25 ist am oberen Ende mit einem Getriebe 27 verbunden, dem ein Motor zugeordnet ist, um den Impfkristall über das Getriebe aus der Schmelze zu ziehen. Dabei wird der Impfkristall 26 von der Oberfläche 22 der Schmelze 12 weggezogen, wobei sich ein nackenartig im Durchmesser verjüngter Teil 29, eine Schulter 31 und schliesslich der Kristall in seinem endgültigen Durchmesser ausbilden.The crucible 17 is more conventional of a heater 23 Kind of surround. A bearing 24 is arranged on the covering dome 16 , through which a shaft 25 is guided, which carries the seed crystal 26 at its lower end. Wave 25 is on upper end connected to a gearbox 27, to which a motor is assigned to the seed crystal via the gearbox from the Draw melt. In the process, the seed crystal 26 is pulled away from the surface 22 of the melt 12, with a Neck-like tapered in diameter part 29, a shoulder 31 and finally the crystal in its final diameter form.
In der Abdeckkuppel 16 sind ferner Beobachtungsfenster 32 und 33 angebracht.In the covering dome 16, observation windows 32 and 33 are also attached.
Einander· gegenüberliegend in einer ausserhalb eines Durchmessers liegenden Ebene sind zwei weitere Fenster 34 und 35 vorgesehen, durch welche eine Rotlichtstrahlung eingeführt und abgegriffen wird. Die Rotlichtstrahlung wird von einem Rotlichtsender 36 mit zwei Rotlichtquellen 37 und 38 geliefert und tritt in Form von zwei Strahlenbündeln 39 und 41Opposite one another in a plane lying outside of a diameter, two further windows 34 and 35 are provided, through which a red light radiation is introduced and tapped. The red light radiation is supplied by a red light transmitter 36 with two red light sources 37 and 38 and occurs in the form of two bundles of rays 39 and 41
- 4 - j.n - 4 - jn
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M0163P-1212 : M0163P-1212 :
in die Reaktianskammer ein. Die Strahlenbündel sind auf einen Punkt 4-2 auf der· Oberfläche 22 der Schmelze 12 ausgerichtet.' Reflektierte Strahlenbündel 43 und 44 treten durch das Fenster 35 aus und. werden in einem,Empfänger 45 empfangen. Es wird ■ eine . sichtbare Rotlichtstrahlung verwendet, um das sichtbare ■■ Rotlicht von der infraroten sowie anderen Frequenzen zugeordneten, von'der heissen Oberfläche des Silicium ausgehendeii Strahlung zu unterscheiden. ■ ' 'into the reaction chamber. The beams are on one Point 4-2 aligned on surface 22 of melt 12. ' Reflected bundles of rays 43 and 44 emerge through the window 35 and. are received in a receiver 45. It will be ■ one . visible red light radiation used to ■■ Red light from the infrared and other frequencies associated with the hot surface of the silicon To distinguish radiation. ■ ''
Die Strahlenbündel 39 und 4-1 werden durch ein wassergekühltes Infrarotfilter.46 in die.Reaktionskammer eingeführt. Die reflektierten Strahlenbündel 4J und· 44 treten ebenfalls durch wassergekühlte Infrarotfilter 47 aus. Die Rotllchtquellen im Rotlichtsender 36 werden über Leitungen 48 und 49 von einem' Schmelzniveauregler 50 aus erregt, dem die von Sensoren ic. Empfänger 45 gelieferten Signale über eine Leitung, 51 zugeführt werden. Der Schmelzniveauregler liefert, ufcer Vrine L··..-tung 52 Stellsignale an eine Motorsteuerung 53» 1U- üvlsprechende Steuersignale über eine Leitung 54 ά*:~ΰ Λοζ r 21' zuführt.- Die Steuersignale bewirken, dass der Motor'':-"j 3ί?η t-Schmelztiegel anhebt bzw. absenkt, wie dies aus atsr ".iacni'ol·- v genden Erläuterung im einzelnen hervorgeht.The bundles of rays 39 and 4-1 are introduced into the reaction chamber through a water-cooled infrared filter.46. The reflected beams 4J and 44 also exit through water-cooled infrared filters 47. The red light sources in the red light transmitter 36 are excited via lines 48 and 49 from a melting level controller 50 to which the sensors ic. Signals delivered to the receiver 45 are fed via a line 51. The melt level controller supplies, ufcer Vrine L · · ..- device 52 control signals to a motor control 53 » 1 U- üvlresponding control signals via a line 54 ά *: ~ ΰ Λοζ r 21 '. - The control signals cause the motor'' : - "j 3ί? η t -melting crucible raises or lowers, as can be seen in detail from atsr".iacni'ol · - v the following explanation.
In Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Reaktionskammer1 darr . gestellt, wobei· diese Darstellung den Hauptzylinder 14 der ■ Reaktionskammer 13, den Rotlichtsender 56 und den Rotlicht;«-" empfänger 45 zeigt. Die Strahlenbündel 39 und 41 sind auf den Punkt 42 gerichtet und werden von diesem als reflektierte Strahlenbündel 43 und 44 in Richtung auf den Strahlungsempfänger 45 reflektiert.In Fig. 2 is a plan view of the reaction chamber 1 Darr. This illustration shows the main cylinder 14 of the reaction chamber 13, the red light transmitter 56 and the red light receiver 45. The bundles of rays 39 and 41 are directed at the point 42 and are thereby reflected as bundles of rays 43 and 44 in FIG Direction of the radiation receiver 45 reflected.
Die Fig. 3, 4a bis 4c geben weitere Einzelheiten de«. und ihrer Wirkungsweise, wobei gleiche Bezugszeichen für gleiche Funktionen und Teile vorgesehen sind.FIGS. 3, 4a to 4c give further details. and their mode of operation, the same reference numerals being provided for the same functions and parts.
- 5 - Der - 5 - The
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BADBATH
: .- M0163P-1212: .- M0163P-1212
Der Schmelzniveauregler 50 gemäss Fig. 1 umfasst einen Oszillator 55» einen Modulator 56, einen abgestimmten Wechselstromverstärker 57, einen Demodulator 58, einen Verstärker 59 und Verbindungsleitungen 61, 62, 63, 64 sowie 65·The melt level controller 50 according to FIG. 1 comprises an oscillator 55 »a modulator 56, a tuned AC amplifier 57, a demodulator 58, an amplifier 59 and connecting lines 61, 62, 63, 64 and 65
Der Oszillator 55 erzeugt eine Rechteckschwingung mit verhältnismässig hoher Frequenz, z.B. 1 kHz, die über den Leiter 61 dem Modulator 56 zugeführt wird. Dieser Modulator 56 stellt im wesentlichen einen Hochfreq'uenzschalter dar, der zuerst die eine Rotlichtquelle 37 und dann die andere Rotlichtquelle 38 erregt. Dabei werden die beiden Rotlichtquellen 37 und. 38 abwechselnd an- und abgeschaltet. Dabei kann z.,3. das hohe Signalniveau der Rechteckschwingung 66 der Erregung der Rotlichtquelle 37 und das niedrige Signalniveau dieser Rechteckschwingung der Erregung der Rotlichtquelle 38 zugeordnet sein. Diese Rotlichtquellen 37 und 38 können beispielsweise aus lichtemittierenden Dioden, wie in Fig. 4a angedeutet, bestehen. Der Rotlichtquelle 37 ist gemäss Fig. 4a ein Linsensystem 37A zugeordnet, welches das Strahlenbündel 39 auf den Punkt 42 richtet. Entsprechend ist der Rotlichtquelle 38 ein Linsensystem 38A zugeordnet, welches das Strahlenbündel 41 ebenfalls auf den Punkt 42 richtet. Diese Strahlenbündel werden im Punkt 42 reflektiert und treten als Strahlenbündel 43 bzw. 44 aus der Reaktionskämmer aus..The oscillator 55 generates a square wave with relatively high frequency, e.g. 1 kHz, which is fed to the modulator 56 via the conductor 61. This modulator 56 is essentially represents a high frequency switch which first has one red light source 37 and then the other red light source 38 excited. The two red light sources 37 and. 38 switched on and off alternately. For example, 3. the high Signal level of the square wave 66 of the excitation of the red light source 37 and the low signal level of this square wave be assigned to the excitation of the red light source 38. These red light sources 37 and 38 can, for example, from light-emitting diodes, as indicated in Fig. 4a, exist. According to FIG. 4a, the red light source 37 is a lens system 37A assigned, which directs the bundle of rays 39 to the point 42. Correspondingly, the red light source 38 is a lens system 38A assigned, which the beam 41 is also on point 42 is directed. These bundles of rays are reflected at point 42 and emerge as bundles of rays 43 and 44, respectively the reaction chamber from ..
Als Rotlichtempfänger 45 können herkömmliche und bekannte Sensorelemente wie z.B. eine Fotodiode oder Fotozellen 45 Verwendung finden. Im Rotlichtempfänger ist ferner ein Linsensystem 45A vorgesehen, das einen ausreichend grossen Durchmesser hat, um beide reflektierten Strahlenbündel 43 und 44 zu erfassen.As the red light receiver 45, conventional and known Sensor elements such as a photodiode or photocells 45 Find use. In the red light receiver, a lens system 45A is also provided, which has a sufficiently large diameter has to detect both reflected beams 43 and 44.
Die durch das Linsensystem 45 auf das fotoempfindliche Element auftreffenden Strahlenbündel 43 und 44 erzeugen eine elektrische Energie, die in einem nachgeschalteten, abgestimmten Wechselstromverstärker 57 verstärkt wird. DasThe through the lens system 45 on the photosensitive element Impinging bundles of rays 43 and 44 generate electrical energy, which is tuned in a downstream AC amplifier 57 is amplified. That
- 6 -- verstärkte - 6 - reinforced
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M0163P-1212M0163P-1212
verstärkte Signal wird über den Leiter 63 dem Demodulator 58 zugeführt, der in herkömmlicher Weise ein Spannungssignal z.B. an einem Kondensator 67 zur Verfügung stellt. Wenn das Niveau der Schmelze 22 in der korrekten vorgesehenen Ebene liegt, ergibt sich eine bestimmte Ladung am Kondensator 67, so dass kein Signal über den Leiter 54- dem Motor 21 zugeführt wird und dieser im stehenden Zustand verbleibt. Mit ansteigendem Schmelzniveau wird z.B. die Ladung im Kondensator 67 angehoben, womit über den Leiter 64- dem Verstärker 59 ein Signal zugeführt wird, das über den Leiter 65 auf die Motorsteuerung 53 wirkt und damit den-Motor in eine Drehung versetzt, die ein Absenken des Schmelztiegels 17 und damit des Schmelzniveaus auslöst. Wenn dagegen das Schmelzniveau unter das vorgesehene Niveau absinkt, nimmt die .Ladung des Kondensators' 67 ab, so dass über den Leiter 64· und den Verstärker 59 über die Motorsteuerung 53 der Motor in umgekehrter Richtung angetrieben wird und den Schmelztiegel 17 so lange anhebt, bis die Oberfläche der Schmelze im richtigen Niveau verläuft.The amplified signal is sent to the demodulator 58 via the conductor 63 which provides a voltage signal, for example on a capacitor 67, in a conventional manner. If that Level of the melt 22 lies in the correct intended level, a certain charge results on the capacitor 67, so that no signal is fed to the motor 21 via the conductor 54- and this remains in the standing state. As the melting level rises, the charge in capacitor 67, for example, is increased, whereby a signal is fed to the amplifier 59 via the conductor 64- which is sent via the conductor 65 to the motor control 53 acts and thus sets the motor in rotation, which a lowering of the crucible 17 and thus the melt level triggers. If, on the other hand, the melt level is below the the intended level drops, the "charge of the capacitor" 67 from, so that via the conductor 64 · and the amplifier 59 via the motor controller 53 driven the motor in the reverse direction and the crucible 17 raises until the surface of the melt is at the correct level.
In Fig. 4-a ist das Schmelzniveau 22 in der gewünschten Lage dargestellt, wobei angedeutet ist, dass die Oberfläche der Schmelze nicht vollkommen eben, sondern von Wellen durchzogen ist. Aus der Praxis weiss man, dass beim Ziehen von Kristallen in Einrichtungen, wie sie der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen, die Oberfläche des flüssigen Siliciums, Germaniums od. dgl. immer mit einer über die Oberfläche verlaufenden Kräuselung versehen·ist. Diese Kräuselung entspricht einer verhältnismä.ssig niedrigen Frequenz von beispielsweise fünf Schwingungen pro Sekunde und ist bei der Steuerung des Schmelzniveaus nicht ausser Acht zu lassen. Die Frequenz des Oszillators 55 niit 1 kHz ist ausreichend hoch, um den Einfluss der Kräuselung 22A auf die Wirkungsweise der Steuerung weitgehendst auszuschalten. Auf einen bestimmten Punkt der welligen Oberfläche kommt dadurch eine ausreichend hohe Anzahl von Schwingungen der hochfrequenten Rotlichtstrahlung, so dass der durch die Kräuselung verursachte Niveauunterschied ausser AchtIn Fig. 4-a, the melt level 22 is in the desired position shown, it being indicated that the surface of the melt is not completely flat, but rather criss-crossed by waves is. It is known from practice that when crystals are pulled in devices such as the present invention lie, the surface of the liquid silicon, germanium od. The like. Always with a running over the surface Crimp is provided. This ripple corresponds to one relatively low frequency of, for example, five Vibrations per second and should not be ignored when controlling the melt level. The frequency of the oscillator 55 niit 1 kHz is high enough to avoid the influence of the Eliminate ripple 22A on the mode of operation of the control as far as possible. At a certain point on the undulating surface this causes a sufficiently high number of oscillations of the high-frequency red light radiation so that the the ripple caused level difference disregarded
- 7 - bleiben - 7 - stay
509817/10 7 5509817/10 7 5
M0163P-1212 ίM0163P-1212 ί
bleiben kann. Der für die Steuerung in Betracht zu ziehende Niveaupunkt kann z.B. im oberen oder unteren Scheitelpunkt der Kräuselung oder auch in einer dazwischen befindlichen Ebene liegen, wobei für die Erläuterung der Erfindung angenommen wird, dass der Punkt 42 im Scheitelpunkt der Kräuselung liegt.can stay. The level point to be taken into account for the control can e.g. in the upper or lower vertex the crimp or lie in a plane located in between, assumed for the explanation of the invention becomes that point 42 is at the apex of the crimp.
Wenn das Schmelzniveau 22 durch den richtigen Punkt, nämlich den Punkt 42gemäss Fig. 4a verläuft, liegt das reflektierte Strahlenbündel 44 auf der einen Seite und das reflektierte Strahlenbündel 43 auf der anderen Seite des Linsensystems 45A, bezogen auf die optische Achse. Der Abstand der auftreffenden Strahlenbündel von der optischen Achse ist in diesem Fall gleich gross. Insofern ist auch der auf den Empfänger 45 auffallende Energieanteil für die beiden Strahlenbündel 43 und 44 gleich gross. Die vom Oszillator 55 erzeugte Rechteckschwingung 66 bewirkt durch die Übertragung über den Leiter 62 und den Modulator 58) dass der Energieanteil z.B. vom empfangenen Strahlungsbündel 39 die Ladung des Kondensators 67 während der einen Halbwelle erhöht, dagegen bei der Erregung des Strahlenbündels 41 der Demodulator 57 eine Verringerung der Ladung des Kondensators 67 auslöst. Auf diese Weise empfängt der Kondensator in Abhängigkeit von den Halbwellen der Rechteckschwingung des Oszillators 55 Impulse, die den Kondensator aufladen bzw. entladen. Wenn sich das Schmelzniveau 22 in der gewünschten Ebene befindet, haben die abwechselnd für die Aufladung und Entladung empfangenen Impulse gleichen Wert, so dass am Kondensator 67 die mittlere Ladung unverändert bleibt. Als Folge davon wird auch von der Motorsteuerung 53 kein Steuersignal geliefert, so dass auch der Schmelztiegel 17 im selben Niveau liegen bleibt.If the melt level 22 runs through the correct point, namely the point 42 according to FIG. 4a, the reflected one lies The bundle of rays 44 on one side and the reflected bundle of rays 43 on the other side of the lens system 45A, based on the optical axis. The distance of the hitting The bundle of rays from the optical axis is the same size in this case. In this respect, the one striking the receiver 45 is also Energy share for the two bundles of rays 43 and 44 is the same. The square wave generated by the oscillator 55 66 has the effect, through the transmission via the conductor 62 and the modulator 58), that the energy component e.g. from the received radiation bundle 39 increases the charge of the capacitor 67 during the one half-wave, on the other hand during the excitation of the beam 41 of the demodulator 57 triggers a reduction in the charge of the capacitor 67. In this way receives the capacitor depending on the half-waves of the square wave of the oscillator 55 pulses that the Charge or discharge the capacitor. When the melt level 22 is in the desired level, they alternate for the charging and discharging pulses received the same value, so that on the capacitor 67 the average charge remains unchanged. As a result, no control signal is supplied by the engine controller 53 either, so that the Crucible 17 remains in the same level.
Man kann erkennen, dass der Winkel des Strahlenbündels 44, bezogen auf die Senkrechte gleich dem Winkel des Strahlenbündels 41 ist. Entsprechend gilt für das Strahlenbündel 43, dass sein Winkel, bezogen auf die Vertikale gleich dem Strahlenbündel 39 ist. Der Winkel zwischen den beiden Strahlen-It can be seen that the angle of the bundle of rays 44 with respect to the perpendicular is equal to the angle of the bundle of rays 41 is. Correspondingly, it applies to the bundle of rays 43 that its angle, based on the vertical, is equal to the bundle of rays 39 is. The angle between the two rays
- 8 - bündeln - 8 - bundle
509 817/1075509 817/1075
M0163P-1212M0163P-1212
bündeln 4-1 und 44 beträgt näherungsweise 4-5°, wogegen der Winkel zwischen dem Strahlenbündel 39 und dem Strahlenbündel 4-3 geringfügig grosser ist, da die Rotlichtquellen 37 und nebeneinander angeordnet sind. Der Differenzwinkel ist sehr klein, so dass er für alle praktischen Zwecke ausser Acht gelassen werden kann und auch für den Winkel zwischen den Strahlenbündeln 39 und 4-3 ein Winkel von etwa 4-5° angenommen werden kann. Dieser Reflexionswinkel ist willkürlich gewählt und kann zur Anpassung an die örtlichen Verhältnisse beliebig geändert werden. y·bundle 4-1 and 44 is approximately 4-5 °, whereas the angle between the bundle of rays 39 and the bundle of rays 4-3 is slightly larger, since the red light sources 37 and are arranged side by side. The difference angle is very small, so that it can be disregarded for all practical purposes and an angle of approximately 4-5 ° can also be assumed for the angle between the bundles of rays 39 and 4-3. This angle of reflection is chosen arbitrarily and can be changed as required to adapt to the local conditions. y ·
In Fig. 4-b ist ein Zustand dargestellt, in welchem sich das Schmelzniveau 22B unterhalb des normalen Schmelzniveaus 22 befindet. Bei diesen Bedingungen trifft das vom Strahlenbündel 4-1 stammende reflektierte Strahlenbündel 44 auf das Linsensystem 4-5A in einem Punkt ausserhalb der optischen Achse, und zwar gegenüberliegend zu den Verhältnissen gemäss Fig. 4a auf. Das reflektierte, vom Strahlenbündel 39 ausgehende Strahlenbündel 4-3 trifft auf das Linsensystem 4-5A auf derselben Seite· der optischen Achse am Rand des Linsensystems auf. Unter 'diesen Bedingungen ergibt sich, dass der reflektierte Energieanteil des 'Strahlenbündels 43 mit wesentlich geringerer Energie vom Rotlichtempfänger 45 empfangen wird, verglichen mit dem Energieanteil aufgrund des Strahlenbündels 44.In Fig. 4-b a state is shown in which the Melt level 22B is below normal melt level 22. Under these conditions, this hits from the beam 4-1 originating reflected bundle of rays 44 onto the lens system 4-5A at a point outside the optical axis, and although opposite to the conditions according to FIG. 4a. The reflected beam emanating from the beam 39 4-3 meets the lens system 4-5A on the same side the optical axis at the edge of the lens system. Under these conditions it is found that the reflected energy component of the 'beam 43 with much lower energy is received by the red light receiver 45, compared to the proportion of energy due to the beam 44.
Bei diesen Verhältnissen gemäss Fig. 4b ist die von den Ladeimpulsen, welche vom StraHßnbündel 44 ausgelöst werden, dem Kondensator 67 zugeführte Ladung grosser als der Ladungs- ■ anteil aufgrund der von dem Strahlenbündel 43 verursachten Ladeimpulse. Über eine Zeitdauer von mehreren Perioden . ergibt sich eine Akkumulation der Ladung auf. dem Kondensator 67 im positiven Sinn, d.fao die Kondensatorspannung steigt an, da die positiven " Ladeimpulse die negativen Ladeimpulse . zahlenmässig übersteigen. Somit wird vom Demodulator 58 ein positives Signal erzeugt, das nach einer Verstärkung imWith these conditions according to FIG. Over a period of several periods. there is an accumulation of the charge. the capacitor 67 in a positive sense, d.fa o the capacitor voltage rises, since the positive "charging pulses, the negative charge pulses. numerically exceed. Thus, generated by the demodulator 58, a positive signal after amplification in
- 9 - Verstärker - 9 - amplifier
509817/1075509817/1075
2U92752U9275
■ M0163P-1212 ■ M0163P-1212
Verstärker 59 der Motorsteuerung 53 zugeführt wird und schliesslich auf den Motor 21 wirkt. Durch dieses auf den Motor 21 wirkende Steuersignal wird der Schmelztiegel Y] so lange angehoben, bis sich das Schmelzniveau 22B mit dem Niveau 22 deckt.Amplifier 59 is fed to motor control 53 and ultimately acts on motor 21. This control signal acting on the motor 21 raises the crucible Y] until the melt level 22B coincides with the level 22.
In Fig. 4c sind die Bedingungen dargestellt, die sich einstellen, wenn das Schmelzniyeau 220 über dem gewünschten Schmelzniveau 22 sich befindet. Das Strahlenbündel 39, das auf die Oberfläche der Schmelze auftrifft, wird als Strahlenbündel 4-3 reflektiert und trifft auf das Linsensystem 45A neben der optischen Achse auf. In entsprechender Weise wird das Strahlenbündel 41 von der Schmelze reflektiert und trifft als Strahlenbündel 44 auf derselben Seite der optischen Achse des Linsensystems 45A und zwar im Randbereich auf. Entsprechend den Verhältnissen bei den in den Fig. 4a und 4b dargestellten Betriebszuständen wird von dem Rotlichtempfänger ein kleinerer Energieanteil für das reflektierte Strahlenbündel 44 empfangen, womit auch kleinere Ladeimpulse für diesen Energieanteil dem Kondensator 67 zugeführt werden. Das unmittelbar neben der optischen Achse empfangene Strahlenbündel 43, 'welches vom Strahlenbündel 39 herrührt, bewirkt grössere Ladeimpulse, die als Entladeimpulse auf den Kondensator 67 wirken. Damit erhält man im Mittel durch das Einwirken der kleineren Ladeimpulse und der grösseren Entladeimpulse einen mittleren Ladungszustand am Kondensator 67, der einer verringerten Ladung entspricht. Damit nimmt die von der Ladung abhängige Kondensatorspannung ab, welche über den Leiter 64 und den Verstärker 59 auf die Motorsteuerung 53 wirkt, um ein Steuersignal über die Leitung 54 dem Motor 21 zuzuführen, das den Motor in einer Richtung antreibt, .die das ibsenken des Schmelztiegels 17 und damit des Schmelzniveaus 22C auslöst, bis das Schmelzniveau wieder im gewünschten Niveau 22 liegt. Beim Ir-reichen dieses Zustande? haben die auf den Kondensator 67 wirkenden Ladeimpulse und Entlade-4c shows the conditions that arise when the melting level 220 is above the desired Melt level 22 is located. The bundle of rays 39, the Hitting the surface of the melt is called a bundle of rays 4-3 reflects and hits the lens system 45A next to the optical axis. In a corresponding manner, the bundle of rays 41 is reflected by the melt and hits as a bundle of rays 44 on the same side of the optical axis of the lens system 45A and that in the edge area. Corresponding the conditions in the operating states shown in FIGS. 4a and 4b is determined by the red light receiver received a smaller amount of energy for the reflected beam 44, which means that smaller charging pulses for this energy component can be fed to the capacitor 67. The bundle of rays received immediately next to the optical axis 43, 'which originates from the bundle of rays 39, causes larger charge impulses acting as discharge impulses on the capacitor 67 work. This gives an average of the effect of the smaller charge pulses and the larger discharge pulses an average state of charge on capacitor 67, which corresponds to a reduced charge. This takes the on the charge dependent capacitor voltage, which via the conductor 64 and the amplifier 59 on the motor control 53 acts to send a control signal via line 54 to the motor 21 to feed, which drives the motor in one direction, .the ibsenken the crucible 17 and thus the melt level 22C triggers until the melt level is back at the desired level 22. Is this state of affairs in the Ir-rich? to have the charge pulses and discharge pulses acting on the capacitor 67
- 10 - impulse - 10 - impulses
509817/1075509817/1075
M0163P-1212M0163P-1212
impulse gleiche Grosse, so dass deren Einwirken bei alternierenden Halbwellen der Oszillatorschwingung das Ladungsniveau konstant halten. "impulses of the same size, so that their effect is alternating Half-waves of the oscillator oscillation keep the charge level constant. "
Das beschriebene Regelsystem stellt ein geschlossenes Schleifensystem dar, in welchem das Schmelzniveau automatisch vom Motor 21 und der Motorsteuerung 53 in Abhängigkeit von der Lage des Schmelzniveaus auf eine gewünschte Höhe eingestellt wird, wenn sich das Schmelzniveau im Betrieb verändert·.The control system described represents a closed loop system represents in which the melt level automatically from the motor 21 and the motor controller 53 depending on the location the melting level is set to a desired level when the melting level changes during operation.
Die lichtemittierenden Dioden der Rotlichtquelle 37 und 38 können Rotlicht im Bereich von etwa 5000 % bis etwa 10000 S. abgeben. Eine bevorzugte Wellenlänge liegt bei 6500 S. Die Filter 46 sind als schmale Bandpassfilter ausgebildet, um die Strahlung mit einer Wellenlänge von 6500 Ä mit einer Bandbreite von ± 50 i zu übertragen. Das Filter 4-6 kann zwei verhältnismässig dünne Quarzplatten umfassen, zwischen denen eine etwa 1 cm dicke Wasserschicht liegt. Ein solches Quarzfilter, das längs den Kanten abgedichtet ist, verringert den Anteil der Infrarotstrahlung, um sich selbst und die Empfangseinrichtung vor einem sich Aufheizen zu schützen, was bei einem Einwirken der infraroten Strahlung nicht.zu vermeiden wäre. Das Infrarotfilter 47 ist in derselben Weise wie das Filter 46 aufgebaut. Die Fotozellen 45 können in herkömmlicher Weise ausgebildet sein·, wobei zwei Fotozellen anstelle von einer in derselben Schaltungsanordnung vorgesehen sein können, wodurch sich jedoch ein höheres Rauschniveau ergibt. Bessere Ergebnisse liessen sich bei der Verwendung einer einzelnen Fotozelle und einer qualitativ hochwertigeren elektronischen Schaltung erzielen*.The light-emitting diodes of the red light source 37 and 38 can emit red light in the range from about 5000% to about 10000 S. A preferred wavelength is 6500 S. The filters 46 are designed as narrow bandpass filters in order to transmit the radiation with a wavelength of 6500 Å with a bandwidth of ± 50 i. The filter 4-6 can comprise two relatively thin quartz plates, between which there is an approximately 1 cm thick layer of water. Such a quartz filter, which is sealed along the edges, reduces the proportion of infrared radiation in order to protect itself and the receiving device from heating up, which could not be avoided if the infrared radiation were to act. The infrared filter 47 is constructed in the same way as the filter 46. The photocells 45 can be designed in a conventional manner, it being possible for two photocells instead of one to be provided in the same circuit arrangement, which, however, results in a higher noise level. Better results have been achieved using a single photocell and higher quality electronic circuitry *.
- 11 - Patentansprüche - 11 - Claims
509817/1075509817/1075
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