DE2515850A1

DE2515850A1 - Vorrichtung zur herstellung von einkristallen

Info

Publication number: DE2515850A1
Application number: DE19752515850
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dr Ing Drechsel; Joachim Dipl Ing Floymayr; Karl Ing Grad Jericho; Uwe Dr Ing Reimpell
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1975-04-11
Filing date: 1975-04-11
Publication date: 1976-10-21
Also published as: FR2306736A1; BE840605A; JPS5750754B2; IT1059583B; JPS51133106A; GB1478006A; FR2306736B1; DE2515850C3; DE2515850B2

Description

Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zurvHerstellung von Einkristallen durch tiegelfreies Zonenschmelzen oder durch Ziehen aus einem Schmelztiegel, wobei der Einkristall ausgehend von eiraerü Keiiukriötail übex⁴ einen sogenannten "Hals" und eine übergangszone in den im wesentlichen zylinderxörinigen Hauptteil des Einkristalls übergeht, bestehend aus einer Kammer für die Ausbildung eines Vakuums bzw. einer Schutzgasatmosphäre, aus einer Heizeinrichtung für die Erzeugung der Schmelzwärme, aus Antriebsmitteln für die zur Kristallbildung erforderlichen mechanischen Bewegungen, aus einer Halterung für den Keimkristall sowie aus einer Stützvorrichtung, die jenseits des Halses an den Einkristall anlegbar ist»

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Bei der Herstellung von Einkristallen durch tiegelfreies Zonenschmelzen werden im allgemeinen die Enden des Stabes, aus dem der Einkristall gebildet wird, in Drehung versetzt. Dies geschieht durch einen entsprechenden Antrieb der Einspannvorrichtungen. Falls durch den Umschmelzvorgang eine Querschnittsveränderung erfolgt, müssen die Einspannvorrichtungen zusätzlich axiale Bewegungen ausführen können*

Bei einer Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallen durch Ziehen aus einem Schmelztiegel wird im allgemeinen mindestens der gezogene Kristall mittels seiner Einspannvorrichtung in Drehung versetzt. Auch hierbei muß die Einspannvorrichtung zusätzlich eine axiale Bewegung ausführen.

In beiden Fällen wird für die Einleitung der Einkristallherstellung ein sogenannter Impfkristall verwendet, von dem das Kristallwachstum ausgeht. Wegen der Forderung nach versetzungsfreiem Kristallwachstum muß nach dem Ansetzen des Impfkristalles ein Ausziehen eines dünnen Halses bei Beginn des Ziehprozesses erfolgen. Durch diese Maßnahme wachsen sich Versetzungen im Kristallgitter aus. Der dünne Hals, an den sich die Übergangszone, auch als Schulter bezeichnet, anschließt, hat in der Praxis einen Durchmesser zwischen etwa 2 und 4 mm; er stellt somit das schwächste Glied zwischen der Einspannvorrichtung und dem in Bildung begriffenen Einkristall dar.

Die Durchmesser der fertigen Einkristalle liegen meist oberhalb 5o mm, bisweilen auch oberhalb 8o mm. Die heute erreichbare Länge beträgt etwa 8oo bis looo mm. Aus Rationalisierungsgründen werden möglichst große Kristalle

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angestrebt, d.h. solche mit größerem Durchmesser und größerer Länge. Ein solches Bestreben wird durch die heute bekannten Vorrichtungen aus den nachstehenden Gründen erheblich behindert:

Bei der Rotation des Kristalls entstehen Schwingungen durch praktisch unvermeidbares, nicht rotationssymetrisches Wachsen des Kristalls. Hierdurch ist die Gefahr gegeben, daß bei größeren Schwingungen die Kristallstruktur in dem Sinne beeinflußt wird, daß die geforderte Versetzungsfreiheit.verloren geht. Vor allem aber besteht die Gefahr, daß der schwingende Kristall die Heizeinrichtung berührt oder an der Stelle des Halses abbricht, wodurch der Herstellvorgang sofort unterbrochen wird. Die an sich wünschenswerte Steigerung von Länge und Durchmesser des Kristalls ist daher wegen der geringen Festigkeit des Halses eng begrenzt. Zusätzlich wird auch eine höhere Drehzahl des Kristalls angestrebt, um die Verteilung der Dotierstoffe im Kristallgitter zu verbessern. Auch der Drehzahlsteigerung sind durch den dünnen Hals Grenzen gesetzt, da etwaige Unwuchten vorzeitig zu einem Abbrechen des Halses führen würden.

Durch die DT-OS 2 348 883 ist eine Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen vorbekannt, die der eingangs angegebenen Gattung in allen übrigen Merkmalen entspricht. Bei der bekannten Vorrichtung besteht die Stützvorrichtung aus mindestens zwei axial, d.h. parallel zur Kristallachse beweglichen Backen, die bei ihrem Einsatz am konischen Teil des in Bildung begriffenen Einkristalls zur Anlage kommen. Dieser konische Teil besitzt aber in der Praxis keineswegs eine ideale Kegelform, sondern vielmehr ein erhebliches Maß an Oberflächenunregelmäßigkeiten,

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worauf in der genannten Druckschrift zutreffend hingewiesen wird. Um diese Unregelmäßigkeiten auszugleichen sind die Backen mit einer Auflage aus einem komprimierbaren Werkstoff wie beispielsweise Grafitfilz belegt. Ein solches Material ist jedoch keineswegs geeignet, sämtliche im praktischen Betrieb auftretende Oberflächenunregelmäßigkeiten soweit auszugleichen, daß keine Querkräfte auf den konischen Teil und damit auf den Hals ausgeübt werden. Es wird daher auch in der genannten Literaturstelle eingeräumt, daß durch die Stützvorrichtung eine leichte Querbev/egung der konischen Teils auftreten kann. Die Praxis hat dabei gezeigt, daß wegen der Sprödigkeit des verwendeten Werkstoffs .bereits bei einer leichten Querbewegung häufig ein Abbrechen des Halses erfolgt. Die vorbekannte Vorrichtung weist den weiteren Nachteil auf, daß die Angriffspunkte der Stützvorrichtung nahezu an der tiefsten Stelle des Einkristalles liegen, so daß eine mit zunehmender Länge des Einkristalls nachlassende Stützwirkung die Folge ist. .Dies erklärt sich durch die sich kontinuierlich in ungünstigem Sinne verändernden Hebelverhältnisse.

Der wesentlichste Nachteil der vorbekannten Vorrichtung ist jedoch darin zu sehen, daß die Stützvorrichtung eine erhebliche, axiale Kraftkomponente auf den Einkristall überträgt, deren Reaktionskraft ausgerechnet den schwächsten Querschnitt des Einkristalls, nämlich den Hals belastet. Es wird daher in der genannten Druckschrift auch zutreffend angegeben, daß der von der Stützvorrichtung ausgeübte Druck die maximal zulässige Zugspannung in dem kleinsten Querschnitt zwischen dem Keim und dem konischen Teil nicht überschreiten darf.

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Diese maximal zulässige Zugspannung ist aber keineswegs eine genau definierte Größe, sie wird darüberhinaus durch die aufgrund der Oberflächenunregelmäßigkeiten im konischen Teil auf den Hals ausgeübten Biegemomente in nicht vorhersehbarer Weise verringert. Hiermit wird die Gefahr des ANorechens des Halses und damit der Unterbrechung der Kristallherstellung in unvertretbarer Weise vergrößert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung so zu verbessern, daß damit Einkristalle von größerem Durchmesser und größerer Länge als bisher erzeugt werden können.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch, daß die Stützvorrichtung aus mehreren, an den Einkristall &uf seiner im wesentlichen zylindrischen Oberfläche in radialer Richtung anlegbaren, auf den Umfang verteilten Klemmkörpern besteht.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist der Vorteil verbunden, daß die Stützvorrichtung an einer praktisch beliebigen Stelle des Einkristalls angesetzt werden kann. Damit können stets optimale Verhältnisse in Bezug auf die auf den Hals einwirkenden Kräfte erzielt werden. Insbesondere ist es möglich, die Stützvorrichtung nach der Herstellung einer Teillänge des Einkristalls nachzusetzen, d.h. in Richtung auf die Schmelzzone zu verschieben. Auf diese Weise ist es möglich, Einkristalle einer Länge herzustellen, die nur durch die Bauhöhe der Anlage begrenzt ist. Ein Abbrechen an der Stelle des fialses wird auch hierbei sicher

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vermieden. Außerdem ist es möglich, Stützvorrichtungen über die Länge des Einkristalles verteilt mehrfach anzuordnen, so daß ein Umkippen des fertigen Kristallteils verhindert wird und eine Fertigstellung des Einkristalls auch dann ermöglicht wird, wenn durch andere, zufällige Einflüsse der Hals wider Erwarten doch einmal abbrechen sollte. In besonders zweckmäßiger Weise werden hierbei mehrere Systeme von Klemmkörpern in unterschiedlichen horizontalen Ebenen auf die Länge des Einkristalls verteilt angeordnet.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgcmäßen Lösung liegt darin, daß keinerlei zusätzliche axialen,Kräfte auf den Hals einwirken, so daß die Klemmkräfte der Stützvorrichtung nicht durch die maximal zulässige Zugspannung im engsten Querschnitt begrenzt ist. Die Stabilität der Halterung wird infolgedessen wesentlich erhöht, so daß die geforderte Versetzungsfreiheit der Kristallstruktur nicht durch Schwingungen gefährdet wird. Auch die Drehzahl des Kristalls kann merklich gesteigert werden, da etwa dennoch auftretende Unwuchten durch die Stützvorrichtung· abgefangen v/erden. Hierdurch wird die Qualität des fertigen Einkristalls verbessert.

Bezüglich der notwendigen Beweglichkeit der Stützvorrichtung ist lediglich die Forderung zu erfüllen, daß die Stützvorrichtung die Bewegung einer Heizeinrichtung nicht behindert, sofern eine bewegliche Heizeinrichtung vorhanden ist, wie beispielsweise beim tiegelfreien Zonenschmelzen in Form einer Induktionsspule. Zu diesem Zweck muß die Stützvorrichtung mindestens teilweise bis unter die Halterung für den Keimkristall zurückziehbar sein. Sie kann der Induktionsspule jedoch jeweils soweit nachgesetzt werden, daß der bereits gebildete Einkristall

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eine hinreichend geringe Temperatur für die Ausbildung einer ausreichend festen Oberfläche besitzt. Analoge Überlegungen gelten naturgemäß auch für die Anwendung der erfindungsgemäßen Stützvorrichtung bei einer Vorrichtung zum Ziehen aus einem Schmelztiegel.

Die Zahl der verwendeten Klemmkörper in jeder Ebene ist im Grunde belanglos. In besonders zweckmäßiger Weise werden jedoch drei auf den Umfang verteilte Klemmkörper in jeder Ebene verwendet. Um eine axiale Beweglichkeit der Klemmkörper im oben aufgezeigten Sinne zu ermöglichen wird der Erfindungsgegenstand zweckmäßig dahingehend weiter ausgestaltet, daß die Klemmkörper einem parallel zur Kristallachse verschiebbaren Führungsgestänge zugeordnet sind, dessen Verschiebbarkeit unabhängig von einer Klemmung durchführbar ist. Eine solche Möglichkeit ist beispielsweise bei dem Gegenstand der DT-OS 2 348 ausgeschlossen.

In besonders zweckmäßiger Weise führen dabei die Klemmkörper in Bezug auf den Einkristall eine zusammengesetzte bzw. stufenweise Bewegung aus, bis die volle Klemmkraft erreicht ist. Hierfür werden die Klemmkörper zweckmäßig in der Weise ausgebildet bzw. angeordnet, daß sie zunächst eine radiale Annäherung bis zur praktisch kräftefreien Anlage am EinkristallÄusführen und sich hierbei nach Maßgabe der Oberflächengeometrie des Einkristalls zentrieren, worauf die Klemmkraft erhöht wird und die Klemmkörper arretiert werden. Auf welche Weise eine solche Lösung erreichbar ist, wird im Zusammenhang mit einigen vorteilhaften Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes noch näher beschrieben.

Ein besonders einfaches und daher wenig au^eniges und

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betriebssicheres Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmkörper als Rotationskörper ausgebildet und lose in einer korbförmigen, den Einkristall konzentrisch umgebenden Aufnahme gelagert sind, deren dem Einkristall zugekehrte Stützflächen für die Klemmkörper untei* einem spitzen Winkel zur Kristallachse ausgerichtet sind und einen solchen mittleren Abstand von der Kristalloberfläche besitzen, daß die Klemmkörper einerseits am Einkristall, andererseits an den Stützflächen anliegen. Hierbei legen sich die Klemmkörper entweder nach ihrem Einlegen in die Aufnahme oder nach ihrer Freigabe innerhalb der Aufnahme zunächst praktisch kräftefrei, d.h. mehr unter ihrem Eigengewicht an den Einkristall an, und zwar unter Berücksichtigung der Oberflächengeometrie des Einkristalls. An der Stelle einer eingefallenen Kristalloberfläche senkt sich der Klemmkörper etwas tiefer in die Aufnahme ab; an der Stelle einer vorgewölbten Kristalloberfläche bleibt der Klemmkörper in einer höheren Lage an der geneigten Stützfläche liegen« Hierbei erfolgt die angegebene Zentrierung der Stützvorrichtung in Bezug auf die nachträglich nicht mehr veränderbaren Oberflächenformen des Einkristalls. Die hierdurch erfolgte Klemmkraft wird selbsttätig außerordentlich groß sobald nur die Tendenz besteht, daß der Einkristall aus seiner einmal festgelegten Lage ausgelenkt werden soll. Für den Fall, daß der Winkel zwischen den Stützflächen und der Kristallachse so gewählt wird, daß Selbsthemmung auftritt, sind die Klemmkörper automatisch arretiert. Um die Klemmung des gewünschten Teils aufheben zu können, wird in vorteilhafter V/eise unterhalb der Klemmkörper eine Hubeinrichtung für die Klemmkörper angeordnet, durch welche die Klemmung aufhebbar ist. Eine solche Hubein-

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richtung kann beispielsweise in besonders einfacher Ausführung aus einer Auflage für die Klemmkörper bestehen, welcher ein durch Druckmittel betätigbarer Faltenbalg zugeordnet ist. Durch entsprechende Steuerung des Faltenbalges werden hierbei die Klemmkörper in den keilförmigen Spalt zwischen ihren Stützflächen und der Kristalloberfläche nach oben angehoben und geben hierbei die Kristalloberfläche frei.

Als Rotationskörper für die Klemmkörper kommen Walzen oder Kugeln in Frage, wie sie auch für Wälzlager verwendet werden. Wenn die Aufnahme für die Klemmkörper rotationssymmetrisch, d.h. als Drehteil ausgeführt ist, werden zweckmäßig Kugeln als Klemmkörper verwendet. Um zu verhindern, daß die Rotationskörper aus der Aufnahme herausfallen, wenn sich in ihr kein Einkristall befindet, wird die Auflage in Richtung auf die Kristallachse ansteigend ausgebildet. Dies kann in Form einer kontinuierlichen Steigung geschehen, durch¹ welche die Rotationskörper die Tendenz erhalten, sich von der Kristalloberfläche wegzubewegen. Andererseits ist es auch möglich, die Auflage in Richtung auf den Einkristall mit einem umlaufenden, hochstehenden Rand zu versehen.

Die Verwendung von Rotationskörpern als Klemmkörper ist dann besonders zweckmäßig, wenn an dem gleichen Führungsgestänge unter—einander zv/ei Aufnahme! mit Klemmkörpern angeordnet sind. Hierbei ist eine gegenseitige Behinderung durch Antriebsorgane ausgeschlossen.

Eine weitere Variante des Erfindungsgegenstandes ist dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmkörper am Ende von radial auf die Kristallachse gerichteten Druckmittel-* antrieben angeordnet sind, welche über das Führungsge-

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stange mit einem Druckmittel beaufschlagt werden, wobei in den einzelnen Druckmittelleitungen getrennte Absperrventile angeordnet sind. Die Klemmkörper können hierbei als Spitzen, Kugelkalotten oder ebene Platten ausgeführt sein, die aus wärmebeständigem Material bestehen oder mit einem solchen überzogen sind.

Als Druckmittelantriebe werden

zweckmäßig kleine Faltenbälge verwendet, welche ihrem dem Klemmkörper abgewandten Ende mit dem Führungsgestänge verbunden sind, durch das sie auch mit dem für die Betätigung erforderlichen Druckmittel beaufschlagt werden. Als Druckmittelquelle dient für sämtliche Antriebe zweckmäßig eine gemeinsame Pumpe, damit die Gleichheit der auf die Klemmkörper einwirkenden Kräfte gewährleistet ist. Bei Einleitung des Klemmvorganges legen sich hierbei die Klemmkörper zunächst nach Maßgabe der Oberflächengeometrie an den Einkristall an, wobei automatisch eine Zentrierung erfolgt. Derjenige Klemmkörper, der als erstes die Kristalloberfläche erreicht, kommt zum Stillstand, während weiteres Druckmittel in die übrigen Druckmittelantriebe nachströmt, bis die Klemmkörper auch dort zur Anlage kommen. Auch hierbei erfolgt die radiale Annäherung der Klemmkörper praktisch kräftefrei. Eine geringe, jedoch unschädliche Kraftdifferenz entsteht nur durch die Federcharakteristik der Faltenbälge, die jedoch genügend flach gehalten werden kann. Nach dem Anlegen der Klemmkörper kann die Klemmkraft durch Erhöh-ung des Drucks im Druckmittel gesteigert werden. Eine Arretierung erfolgt auf diese Weise jedoch noch nicht, da ein Druckmittelausgleich auf dem Umweg über die gemeinsame Versorgungsleitung möglich ist. Um ein Ausweichen der Druckmittelantriebe

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auszuschalten, sind in den einzelnen Druckmittelleitungen getrennte Absperrventile angeordnet, die nach Herstellung des gewünschten Drucks im Druckmittel geschlossen werden. Auf diese W_eise wird die geforderte Arretierung der Stützvorrichtung erreicht.

Schließlich ist eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Lösung dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmkörper am Ende von mit dem Führungsgestänge verbundenen

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Parallelogrammlenkeranordnung angeordnet sind, deren Schwenkebenen radial zur Kristallachse ausgerichtet sind, wobei das Führungsgestänge und die Lenkerteile in ausgeschwenktem Zustand im wesentlichen die Form eines ¹¹Z" aufweisen, während sie im Zustand der Klemmung eine im wesentlichen gestreckte Lage einnehmen. Eine solche Lenkeranordnung besitzt den zusätzlichen Vorteil, daß sie sehr weit aus dem Bereich des Einkristalls ausgeschwenkt v/erden kann, um beispielsweise die Bewegung der Induktionsspule beim Zonenschmelzen zu ermöglichen. Außerdem kann eine solche Lenkeranordnung sehr leicht auf stark unterschiedliche Kristalldurchmesser eingestellt werden. Der Antrieb der Lenkeranordnung erfolgt auf eine in der Spezialbeschreibung angegebene Weise.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes, ihre Details und Wirkungsweise seien nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 6 näher beschrieben.

Es zeigen:

Figur 1 einen Vertikalschnitt durch eine vollständige Vorrichtung mit Rotationskörpern als Klemmkörper,

Figur 2 einen stark vergrößerten Ausschnitt aus dem Gegenstand gemäß Figur 1, 6098 4 3/0971

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Figur 3 einen Vertikalschnitt durch eine vollständige Vorrichtung mit Klemmkörpern, die am Ende von Druckmittelantrieben angeordnet sind, sowie schematisch die Druckmittelversorgung der Vorrichtung,

Figur 4 einen Ausschnitt aus dem Gegenstand gemäß Figur 3,

Figur 5 einen Vertikalschnitt durch eine vollständige Vorrichtung mit Klemmkörpern, die am Ende von Parallelogrammlenkeranordnungen angebracht sind und

Figur 6. einen Vertikaliychnitt durch eine vollständige Vorrichtung analog Figur 3, jedoch zum Ziehen eines Kristalls aus einem Schmelztiegel.

In Figur 1, die eine Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen zeigt, ist mit Io eine Kammer bezeichnet, in der über eine Saugleitung Il mittels eines nicht dargestellten Pumpsatzes ein für den Ziehvorgang ausreichendes Vakuum erzeugt werden kann. Die Kammer Io besitzt an ihrer Unterseite eine vakuumdichte Drehdurchführung 12 für eine Antriebswelle 13, die an ihrem oberen Ende eine Halterung 14 für einen Keimkristall 15 besitzt. Der Keimkristall 15 steht über einen sogenannten

Hals 16 und eine kegelförmige Übergangszone 17 mit dem eigentlichen Einkristall 18 in Verbindung, Dieser wurde durch Umschmelzen von stabförmigem Ausgangsmaterial erzeugt, dessen nicht umgeschmolzener Teil noch zu sehen und mit 19 bezeichnet ist. Zwischen dem Einkristall 18 und dem unbehandelten Teil 19 befindet sich eine Schmelz-

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zone 2o, die"aufgrund des Einflusses einer vertikal beweglichen Induktionsspule 21 zustandegekommen ist. Die Induktionsspule bewegt sich in Richtung des Pfeils 22 kontinuierlich nach oben, wodurch der Einkristall erzeugt wird. Der Zonenschmelzvorgang ist in einem Stadium dargestellt, in dem etwa 2/3 des Umschmelzvorganges bereits beendet ist. Der Hals 16 sowie.die kegel- * förmige Zone 17 wurden durch entsprechende Steuerung der Verfahrensparameter erzeugt. Diesbezügliche Einzelheiten sind jedoch Stand der Technik, so daß sich ein näheres Eingehen hierauf erübrigt. Das obere Ende des stabförmigen Ausgangsmaterials ist in einer weiteren Halterung 23 befestigt, die über eine Antriebswelle mit einem Antriebsmotor 25 in Verbindung steht.

An der Antriebswelle 13 ist über eine Quertraverse eine gemeinsam mit der Antriebswelle rotierende Stützvorrichtung 27 befestigt, deren wesentlicher Teil aus mehreren, an den Einkristall 18 auf seiner im wesentlichen zylindrischen Oberfläche in radialer Richtung anlegbaren, auf den Umfang verteilten Klemmkörpern 28 besteht. Im vorliegenden Falle sind zwei Systeme von Klemmkörpern 28 in unterschiedlichen horizontalen Ebenen ¹¹A" und "B^M angeordnet. Auf diese Weise wird erreicht, daß der Einkristall 18 auch im Falle eines Bruchs des Flaschenhalses 16 nicht umkippen kann.

Die Klemmkörper 28 sind dabei einem parallel zur Kristallachse verschiebbaren Führungsgestänge 29 zugeordnet, dessen Yerschiebbarkeit unabhängig von einer Klemmung durchführbar ist, und zwar mit Hilfe von Antriebszylindern 3o, mit denen das Führungsgestänge 29 über nicht dargestellte Kolben zusammenwirkt. Die Beaufschlagung der Antriebszylinder 3o erfolgt über entsprechende, nicht dargestellte

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Kanäle in der Antriebswelle 13 sowie in der Quertraverse 26. Die Zufuhr des Druckmittels zur Antriebswelle 13 erfolgt über eine herkömmliche Rotationskupplung 31 und eine Leitung 32, die über ein Steuerventil 33 mit einer nicht dargestellten Druckmittelquelle in Verbindung steht. Ein weiteres Steuerventil 34 dient zur Entlüftung, wenn die Klemmung bewirkt werden soll.

Die Klemmkörper 28 sind im vorliegenden Falle als Rotationskörper (Kugeln) ausgebildet und lose in einer korbförmigen den Einkristall konzentrisch umgebenden Aufnahme 35 gelagert, Die Aufnahme 35 ist als Rotationskörper ausgebildet und mit einer Innenkontur versehen, durch die Stützflächen 36 für die Klemmkörper gebildet werden, die unter einem spitzen Winkel zur Achse des Einkristalls 18 angeordnet sind. (Figur 2). Die Stützflächen 36 haben dabei einen solchen mittleren Abstand von der Oberfläche des Einkristalls 18, daß die Klemmkörper einerseits am Einkristall, andererseits an den Stützflächen anliegen, wie dies deutlicher in Figur 2 dargestellt ist. Der gewählte Winkel zwischen den Stützflächen 36, die einen Hohlkegel bilden, und der Kristallachse ist dabei so gewählt, daß Selbsthemmung auftritt. Die Aufnahme 35 ist dabei druckmitteldicht mit dem oberen Ende des Führungsgestänges 29 verbunden.

Aus Figur 2, in der gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, ist ferner ersichtlich, daß unterhalb der Klemmkörper 28 eine Hubeinrichtung 37 angeordnet ist, durch welche die Klemmung aufgehoben wird, wenn die Klemmkörper 28 in Richtung der nach oben weisenden Pfeile angehoben werden. Die Hubeinrichtung 37 besteht aus einer Auflage 38, die beispielsweise als Kreisring ausgeführt sein kann. Der Auflage 38 ist dabei mindestens

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ein durch ein Druckmittel betätigbarer Faltenbalg 39 zugeordnet. Die Druckmittelbeaufschlagung der Hubeinrichtung 37 erfolgt über eine Bohrung 4o in der Antriebswelle 13, über Querbohrungen 41 in der Quertraverse 26, über die Antriebszylinder 3o und Bohrungen 42 im Führungsgestänge 29 der Stützvorrichtung 27. Die Bohrungen 42 setzen sich innerhalb der Aufnahme 35 fort und stehen über radiale Bohrungen 43 mit den Faltenbälgen 38 in Verbindung. Die Auflage 38 ist in Richtung auf die Achse des Einkristalls 18 ansteigend ausgebildet, so daß die Klemmkörper 28 bei Aufhebung der Klemmung die Tendenz haben, von dem Einkristall 18 weg in Richtung auf die Stützfläche 36 zu rollen. Im Falle der Ausbildung der Auflage 38 als Kreisring bildet deren Oberfläche die Mantelfläche eines stumpfen Kegels.

In Figur 3 sind gleiche oder äquivalente Gegenstände wie in Figur 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der wesentliche Unterschied besteht jedoch darin, daß die Stützvorrichtung 27 in diesem Fall Klemmkörper 28 enthält, die am Ende von radial auf die Kristallachse ge-r richteten Druckmittelantrieben 5o angeordnet sind. Die Druckmittelantriebe bestehen aus Faltenbälgen 51, die am oberen Ende des Führungsgestänges 29 angebracht sind. Das Führungsgestänge ist in diesem Falle ebenfalls hohl ausgebildet und dient zur Fortleitung des Druckmittels. Das Führungsgestänge 29 ist längsverschieblich in einer Scheibe 52 gelagert, und zwar unter Zwischenschaltung von Dichtungen 52a. Die Scheibe 52 ist vakuumdicht an der Antriebswelle 13 befestigt, so daß das Führungsgestänge 29 mit den Klemmkörpern 28 gemeinsam mit der Halterung 14 und dem Keimkristall 15 rotiert. Die Scheibe

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52 wirkt mit dem gehäuseseitigen Teil der Drehdurchführung 12 zusammen, und zwar ebenfalls unter Zwischenschaltung von Dichtungen 12a. Die Beaufschlagung der Druckmittelantriebe So erfolgt über die Eotationskupplungen 31, die nur symbolisch dargestellt sind, da wegen der erforderlichen Drehung des Führungsgestänges 29 naturgemäß eine koaxiale Rotationskupplung erforderlich ist. Jeder der Druckmittelantriebe 5o wird über eine getrennte Druckmittelleitung 53, 54 und 55 mit einer nicht dargestellten Druckmittelquelle verbunden. In diesen Druckmittelleitungen befinden sich getrennte Absperrventile 53a, 54a und 55a. Die Vorrichtung gemäß Figur 3 ist mit drei Klemmkörpern 28 bzw. drei Druckmittelantrieben 5o versehen, von denen in der gewählten Darstellung jedoch nur zwei sichtbar sind. Die Druckmittelleitung 55 führt zu dem nicht sichtbaren dritten Druckmittelantrieb. Eine gemeinsame Versorgungsleitung 56 kann durch ein zentrales Absperrventil 57 unterbrochen werden.

In Figur 4 sind folgende Einzelheiten deutlicher dargestellt. Das Führungsgestänge 29 ist mit einer Bohrung 42 versehen und besitzt an seinem oberen Ende ein Anschlußstück 58, an dem der Faltenbalg 51 in radialer Richtung zur Kristallachse angeordnet ist. Am Ende des Faltenbalgs 51 ist der Klemmkörper 28 befestigt, der als Scheibe mit einem kalottenförmigen Fortsatz ausgebildet ist.

Die Vorrichtung gemäß den Figuren 3 und 4 hat folgende Wirkungsweise: Nach Herstellung des "Flaschenhalses" 16 und der kegelförmigen Zone 17 sowie eines geringen Teils der Länge des Einkristalls 18 hat die Heizeinrichtung in Form der Induktionsspule 21 eine entsprechende Höhenlage eingenommen. Die Klemmkörper 28 werden nunmehr mittels des Führungsgestänges 29 in die in Figur 3 dargestellte

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Position gebracht. Die Faltenbälge 51 nehmen dabei noch eine eingezogene Stellung ein, in der die Klemmkörper 28 nicht am Einkristall 18 anliegen. Anschließend v/erden die Druckmittelantriebe 5o bei geöffneten Absperrventilen 53a, 54a und 55a sowie 57 mit einem Druckmittel beaufschlagt, so daß sich die Faltenbälge 51 in radialer Richtung ausdehnen, bis die Klemmkörper 28 am Einkristall 18 zur Anlage kommen. Derjenige Klemmkörper 28, der als erstes zur Anlage am Einkristall 18 kommt, verbleibt in dieser Stellung, während die übrigen Klemmkörper 28 ihre Bewegung bis zur Anlage am Einkristall 18 fortsetzen. Hierbei findet automatisch eine Zentrierung der Klemmkörper 28 statt, ohne daß hierbei unzulässige Querkräfte auf den Einkristall 18 einwirken. Danach wird der Druck im Druckmittelantrieb noch etwas erhöht und das Absperrventil 57 geschlossen. Der Einkristall 18 könnte in diesem Fall noch in radialer Richtung bewegt werden, wobei das aus einem Druckmittelantrieb 5o verdrängte Druckmittel auf dem Umweg über die Druckmittelleitungen 53, 54 und 55 zu den anderen Druckmittelantrieben 5o strömt. Uni diese Möglichkeit auszuschiiessen und die Druckmittelantriebe 5o zu arretieren, sind in den Druckmittelleitungen die Absperrventile 53a, 54a und 55a vorgesehen. Sobald diese geschlossen sind, ist die Stützvorrichtung 27 arretiert, und der Einkristall 18 wird sicher gehalten.

Bei dem Gegenstand gemäß Figur 5 sind die Klemmkörper 28 am Ende von mit dem Führungsgestänge 29 verbundenen Parallelogrammlenkeranordnungen 6o angeordnet, deren Schwenkebene radial zur Achse des Einkristalls 18 ausgerichtet sind. Die Beweglichkeit der Parallelogrammlenkeranordnungen erstreckt sich dabei von der ausgezogen dargestellten Position bis zur gestrichelt dargestellten Position 6oa. Zwischen den Klemmkörpern 28 und der

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Parallelogrammlenkeranordnung 6o befindet sich noch je eine Stütze 61, die bei der Bewegung der Parallelogrammlenkeranordnung 6o ihre senkrechte Stellung beibehält. Aus Figur 5 ist ersichtlich, daß das Führungsgestänge 29 und die Lenkerteile δο bzw. 61 in ausgeschwenktem Zustand (ausgezogene Linien) im wesentlichen die Form eines "Z" aufweisen, während sie im Zustand der Klemmung eine im wesentlichen gestreckte Lage einnehmen (gestrichelte Stellung 6oa). Hierbei legen sich die Klemmkörper 28 fest an den Einkristall an, Die Schwenkbewegung der Lenkeranordnungen 6o wird durch Antriebszylinder 3o auf eine nicht dargestellte und für den Durchschnittsfachmann geläufige Weise bewirkt. Das Führungsgestänge 29 ist auch in diesem Falle in der Scheibe 52 längsverschieblich gelagert. Die Längsverschiebung erfolgt über eine auf dem Antriebszylinder 3o angeordnete Zahnstange 62 und ein damit kämmendes Ritzel 63.

Bei dem Gegenstand gemäß Figur 6 sind die Verhältnisse umgekehrt wie 'bei demjenigen nach Figur 3. Figur 6 zeigt eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls 18 aus einer Schmelze 7o, die sich in einem Tiegel 71 befindet. Der Tiegel 71 steht auf einer drehbaren Platte 72, die über eine Antriebswelle 73 mit einem Antriebsmotor 74 in Verbindung steht. Die übrigen Details tragen die gleichen Bezugszeichen wie in den Figuren 3 bzw. 1 und haben die gleiche Funktion. De,r Keimkristall 15 wird zu Beginn des Ziehvorganges in die Schmelze 7o eingetaucht und zieht zunächst durch entsprechende Steuerung der Parameter einen dünnen Hals 16 aus der Schmelze. Dieser, geht über eine kegelförmige Übergangszone 17 in die eigentlichen Einkristall 18 über. Nach Ausbildung einer ent-

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sprechenden Länge des Einkristalls 18 wird die Stützvorrichtung 27 zum Einsatz gebracht, die in völlig analoger Weise zu Figur 3 aus einem Führungsgestänge 29 mit Druckmittelantrieben 5o und Klemmkörpern 28 besteht. Auch die Beaufschlagung der Druckmittelantriebe und die Arretierung erfolgt in analoger Weise zu Figur Es ist auch hier ersichtlich, daß nach Arretierung der Klemmkörper 28 eine zuverlässige und sichere Halterung des Einkristalls 18 auf der im wesentlichen zylindrischen Fläche dieses Einkristalls erfolgt.

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Claims

- 2ο - Ansprüche:

1. Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallen durch tiegelfreies Zonenschmelzen oder durch Ziehen aus einem Schmelztiegel, wobei der Sink .-istall ausgehend von einem Keimkristall über einen sogenannten Hals und •ine Übergangszone in den im wesentlichen zylinderförmigen ■Hauptteil des JEinkristalls übergeht., bestehend aus einer Kammer für die Ausbildung eines Vakuums bzw. einer Schutzgasatmosphäre, aus einer Heizeinrichtung für die Erzeugung der Schmelzwärme, aus Antriebsmitteln für die zur Kristallbildung erforderlichen mechanischen Bewegungen, aus einer Halterung für den Keimkristall sowie aus einer Stützvorrichtung, die jenseits des 'Halses an "den Einkristall anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützvorrichtung (27) aus mehreren, an den Einkristall (18) auf seiner im wesentlichen zylindrischen Oberfläche in radialer Richtung anlegbaren auf den Umfang verteilten Klemmkörpern (28) besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Systeme von Kiemmkörpern (28) in unterschiedlichen horizontalen Ebenen (A, B) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmkörper (28) einem parallel zur Kristallachse verschiebbaren Führungsgestänge (29) zugeordnet, sind, dessen Verschiebbarkeit unabhängig von einer Klemmung durchführbar ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch p;ekennzeichnot, daß die Halterung (14) für den Keimkristall (15) drehbar ausgebildet ist, und daß das Führungsgestänge (29) mit dieser Halterung zur Ausführung einer gemeinsamen Drehbewegung verbunden ist.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmkörper (28) in der Weise ausgebildet bzw. angeordnet sind, daß sie zunächst eine radiale Annäherung bis zur praktisch kräftefreien Anlage am Einkristall (18) ausführen und sich hierbei nach Maßgabe der Oberflächengeometrie des Einkristalls zentrieren, worauf die Klemmkraft erhöht wird und die Klemmkörper arretiert werden.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet _t daß die Klemmkörper (28) als Rotationskörper ausgebildet und lose in einer korbförmigen, den Einkristall konzentrisch umgebenden Aufnahme (35) gelagert sind, deren dem Einkristall zugekehrte Stützflächen für die Klemmkörper (36) unter einem spitzen Winkel zur Kristallachse ausgerichtet sind und einen solchen mittleren Abstand von der Kristalloberfläche besitzen, daß die Klemmkörper einerseits an Einkristall, andererseits an den Stützflächen anliegen (Figuren 1 und 2).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den Stützflächen (36) und der Kristallachse so gewählt v/ird, daß Selbsthemmung auftritt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich unterhalb der Klemmkörper (2S) eine Kubeinrichtung (37) für die Klemmkörper befindet, durch welche die Klemmung aufhebbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubeinrichtung (37) aus einer Auflage (38) für die Klemmkörper (28) besteht, welcher mindestens ein durch ein Druckmittel betätigbarer Faltenbalg (39) zugeordnet ist.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

daß die Druckmittelsteuerung der Hubeinrichtung (37) über die hohle Antriebswelle (13) für den Keimkristall (15) und die Stützvorrichtung (27) erfolgt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage (38) in Richtung auf die Kristallachse ansteigend ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß an dem gleichen Führungsgestänge (29) untereinander zwei Aufnahme (35) mit Klemmkörpern (28) angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmkörper (28) am Ende von radial auf die Kristallachse gerichteten Druckmittelantrieben (5o) angeordnet sind, welche über das Führungsgestänge (29) mit dem Druckmittel beaufschlagt werden, wobei in den einzelnen Druekmittelleitungen (53, 54, 55) getrennte Absperrventile (53a, 54a, 55a) angeordnet sind. (Figuren 3, 4 und 6)

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmkörper (28) am Ende von mit dem Führungsgestänge (29) verbundenen Parallelogrammlenkeranordnungen (6o) angeordnet sind, deren Schwenkebenen radial zur Kristallachse ausgerichtet sind, wobei das Führungsgestänge und die Lenkerteile (6o, 61) in ausgeschwenktem Zustand im wesentlichen die Form eines "Z" aufweisen, während sie im Zustand der Klemmung eine im wesentlichen gestreckte Lage (6oa) einnehmen (Figur 5).

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungsgestänge (29) mit den Klemmkörpern (28) von oben in die Kammer (lo) hineinragt. (Figur 6).

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