DE2516197A1

DE2516197A1 - Waegevorrichtung insbesondere zur automatischen regelung von kristallzuchtvorgaengen

Info

Publication number: DE2516197A1
Application number: DE19752516197
Authority: DE
Inventors: Walter Dr Schmidt; Walter Dr Staehlin
Original assignee: Alusuisse Holdings AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1975-04-14
Filing date: 1975-04-14
Publication date: 1976-10-28
Also published as: DE2516197C3; DE2516197B2

Description

Wägevorrichtung insbesondere zur automatischen Regelung von Kristallzuchtvorgöngen Die Erfindung betrifft eine Wdgevorrichtung insbesondere zur automatischen Regelung von Kristallzuchtvorgängen mittels einer Meßzelle oder einem entsprechenden Wägeelement, auf der das Wbgegut - beispielsweise ein Kristallschmelzetiegel -unter Zwischenschaltung eines Tragorgones lastet.
Bei der Kristallzucht nach der bekannten Czochralski-Methode wird ein Kristall nach dem sogenannten Animpfen einer Schmelze aus dieser langsam hochgezogen. Der Durchmesser des am rotierenden Impfkristall anwachsenden Kristalls ist eine empfindliche Funktion der Temperatur der Schmelze; steigende Temperatur verursacht eine Abnahme, sinkende Temperatur eine Zunahme des Kristalldurchmessers. Ist aus Gründen der Kristall quolitat bzw. der 1.sirtschaftlichLeit ein bestimmter Durchmesserverlauf über die Länge der Kristallachse gefordert bzw. gewünscht, so stellt dies gron Anforderungen an das 2edienungspersonol, da eine Kontrolle durch visuelle Beobachtung der Grenzflache von Kristall und Schmelze sowie entsprechende Einstellung der Schmelztemperatur durch Verstellen der Heizleistung sehr viel übung erfordert.
Kristallzuchtvorgänge nach Czochralski dauern in der Regel einige Stunden bis zu mehreren Tagen und bedingen eine ununterbrochene Aufsicht durch ceschulte Fachkräfte. In vielen Fällen ist aber aus techn schen Gründen - beispielsweise beim Absinken des Schmelzenspiegels oder bei der Zucht von Kristallen nach der sogenannten FlUssig-Urnhtlllungs-Technik (Liquid Encapsulated Czochralski-Methode) unter isochdruck - die visuelle Beobachtung des Durchmessers in bestimmten Stadien nicht oder sehr schwer möglich, so daß eine automatische Regelung des Durchmesserverlaufes notwendiy wird, zumal jede Automatik auch die Personalkosten verringert ;nd die Auslastung der teueren Kristalizuchtanlagen verbessert.
Eine herkömmliche Art der automatischen Durchmesserkontrolle benutzt die Gewichtsdnderung des wachsenden Kristalls bzw.
der Schmelze als Regelgröße. Dabei wird Kristall oder Schmelze gewogen und die Istgewichtsdnderung mit einer dem gewünschten Durchmesserverlauf entsprechenden Sollgewichtsönderung verglichen. Auftretende Differenzen werden zum automatischen Verstellen der Schmelzetemperatur durch Regelung der Heizleistung herangezogen.
Bei einfachen Kristallzuchtbedingungen kann man den die Schmelze enthaltenden Tiegel zusammen mit den notwendigen radialen und axialen thermischen Abschirmungen direkt auf eine im Handel erhdltliche Waage stellen; muß jedoch der Tiegel aus technischen Gründen wdhrend des Kristallzuchtvorganges zum Ausgleich von Temperaturgradienten ständig gedreht werden, so beeinflussen die notwendigen Antriebsteile in unzulässiger Weise das Wågeergebnis; dies macht sich besonders bemerkbar, da die zu messenden Gewichtsänderungen in der Größenordnung zwischen einigen Milligramm und einigen Gramm liegen, was an das Auflösungsver mögen der Waage große Anforderungen stellt.
Normale Waagen sind auch dann ungeeignet, wenn der Kristallzuchtraum durch den notwendigen Einsatz von Vakuum oder hohen DrUcken geschlossen bleiben muß, da jede gedichtete Durchführung zur Waage dem Meßwert Reibungskräfte Uberlagert und das Ergebnis so verfälscht. Einen Einbau der Waage in den Kristallzuchtraum selbst aber verbieten zum einen die Größe der Waage sowie zum anderen die herrschenden hohen Temperaturen und aggressiven Ddmpfe.
Deshalb wurde vielfach versucht, die Waage durch eine elektronische Kraftmeßzelle zu ersetzen, was prinzipiell durchführbar ist. Doch schon bei Rotation des Tiegels treten wiederum Schwierigkeiten auf, die teilweise dadurch Uberwunden zu werden vermögen, daß man die Kraftmeßzelle mit dem Tiegel rotieren läßt. Hierzu bedarf es aber fUr die elektrischen Zu- und Ableitungen einiger Schleifringkontakte, die in korrosiver Umgebung störanfällig und darUber hinaus nicht störpegel frei sind. Zudem bleiben manche Kraftmeßzellen empfindlich gegenüber radialen Kräften, wie sie u.a. durch rotierende exzentrische Lasten hervorgerufen werden.
So hat sich der Erinder das Ziel gesetzt, die erkannten Mängel an ttågevorrichtungen der eingangs erwähnten Art zu beseitigen und die Möglichkeiten einer gewichtsabhängigen automatischen Regelung insbesondere bei automatischen Kristalizuchtvorgängen zu verbessern.
Zur Lösung dieser Aufgabe fUhrt eine IPågevorrichtung mit einem als drehbar gelagerte Welle ausgebildeten, etwa vertikal gerichteten Tragorgan, dessen vom ltAdgegut fernes Ende in einem die Meßzelle/n od. dgl. umgebenden Druckgefäß angeordnet und durch außerhalb dieses Druckgefäßes vorgesehene Antriebselemente drehbar ist.
Erfindungsgemäß sollen im Druckgefäß mehrere Meßzellen festliegen, auf denen ein das/die Lager fUr die Welle haltendes Gerüst od. dgl. ruht. Als besonders günstig haben sich dabei drei geichmd.ßig um die Welle gruppierte Meßzellen erwiesen; da das Gewicht so von drei beispielsweise an den Spitzen eines gleichseitigen Grundrißdreiecks angeordneten Meßzellen oder entsprechenden Wägeelementen aufgenommen wird. Dadurch können die durch Taumelbewegungen des sich drehenden ldågeguts auftretenden periodischen Veränderungen des gemessenen Gewichtes durch einfache analoge bzw. digitale Addition der drei den Gewichtsanteilen proportionalen elektrischen Avsgangssignale der Meßzellen eliminiert werden.
Als weiterer Vorzug bietet sich die ruhende Anordnung der Meßzellen an; von diesen werden die Gewichtssignale ohne die sonst bei drehenden Systemen erforderlichen Schleifringkontakte abgenommen, was die von letzteren bekannten besciiriebenen Störungen unterbindet. DarUber hinaus können die Meßzellen der entsprechenden Wbgeelemente nunmehr vor dem Einfluß der hohen Temperatur und der korrosiven Medien geschutzt werden.
Um eine weitere Storungsquelle ouszuschalten, ist die Welle vorteilhafterweise in dem gegebenenfalls gegenüber den Meßzellen - beispielsweise durch Justierschrauben - verstellbaren Gerüst sowohl axial als auch radial reibungsarm gelagert und außerhalb des Gerüstes mit einem Antrieb berührungsfrei zu kuppeln. Hierzu wird das Kupplungsende der Welle erfindungsgeaKfß mit wenigstens einem Magnetorgan versehen und diesem außerhalb des Druckgefäßes zumindest ein vom Antrieb drehbares magnetisches Gegenorgan zugeordnet; das Kupplungsende umgibt bevorzugt ein zylindrischer Teil des Druckgefäßes, um den das magnetische Gegenorgan des Antriebes gedreht wird. Die aragnetische Ubertragung des Drehmomentes auf die Welle eliminiert alle eine Gewichtserfassung behindernden Reibungseinflusse.
Als besonders günstig hat es sich erwiesen, zumindest eines der Magnetorgone - bevorzugt beide - krenzförmig zu gestalten und diese Magnetkranze aus einzelnen Stabmageneten zu bilden.
So soll vorteilhafterweise sowohl auf der innenliegenden Welle als auch im äußern Magnetkranz eine gerade Anzahl von Stabmagneten vorgesehen und diese in ihrer Polarität jeweils paarweise abwechselnd ausgerichtet werden. Diese Anordnung verhindert axiale magnetische Kräfte, welche das Lagesignal beeinflussen konnten.
Im Rahmen der Erfindung liegen KUhlorgane zum Kühlen der Wande des DrÜckgefaßes sowie der Meßzellen, um den ltågevorgang unbeeinflußt von Temperatur- und Korrosionseinflüssen durchführen zu können. Zur Abschirmung dienen zum einen KUhlrippen oder Kuhlwicklungen sowie zu anderen Blendschirme od. dgl., die zwischen der Rdrmeque1le und der Wögevorrichtung angebracht sein sollen. So wird beispielsweise eine Blende mit der Welle verbunden und mit dieser gedreht; dabei kann die Blendenfldche selbst als Aufleger fUr die Welle herangezogen werden, was den Konstruktionsaufwand erheblich vermindert.
Um mittels der Meßzellen bei einem Kristallzuchtvorgang den gewunschten Durchmesserverlauf optimal regulieren zu können, wird das Ausgangssignal entweder analog oder digital weiterverarbeitet. Das Summensignal der drei Meßzellen wird mit einei Sollwert verglichen und Differenzen Uber einen Regler mit Stellglied auf Leistungsverdnderun9en der Heizung, Geschwindigkeitsveranderung des den Kristall hochziehenden Gestanges bzw. des die Schmelze drehenden Tragorgans umgesetzt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter AusfUhrungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in Fig. 1: den schematisierten und teilweise geschnittenen Aufriß einer Kristallziehvorrichtung; Fig. 2: ein vergrößertes Detail aus Fig. 1.
Im Gehäuse 1 eines Ziehgerätes A zur Zuchtung von Kristallen - beispielsweise von Einkristallen nach dem sogenannten Czochralski-Verfahren - ist auf einer in der Geräteachse M verlaufenden vertikalen Welle 2 eine Tragvorrichtung 6 für einen Kristallschmelzetiegel T angeordnet. Der Spiegel Sp einer in diesem Tiegel T vorhandenen Schmelze S befindet sich in einem Abstand h zum Gehäuseboden 5, in dessen Getriebekosten 4 ein in Fig. 1 nicht verdeutlichter Antrieb liegt.
Die linke Hälfte der Fig. 1 läßt eine Tragvorrichtung 6 aus Bodenplatte 7 und Isolierwand 8 erkennen, mit der die zylindrische Wandung U des Tiegels T einen Ringraum 10 für ein Aluminium-Oxyd-Pulver 11 (Al2 03) bildet.
3 Die Tragvorrichtung 6 der rechten Figurenhälfte besteht aus a einer Bodenplatte 7 mit Ringwand 9; Wandung U des Tiegels T wird hier unmittelbar von einer Hochfrequenz-Induktions spule 12 um fangen, die an einen Hochfrequenzgenerator 13 angeschlossen ist.
In die Schmelze S ragt ein an einem vertikalen Ziehstab 14 hangende Impfkristall 15, der von einem Ziehorgan 16 gesteuert - unter Bildung eines Kristalles K - aus der Schmelze S gehoben zu werden vermag; hierzu ist das Ziehorgan 16 mit einem Steuergerät 17 verbunden.
In Fig. 2 ist unterhalb des Bodens 5 des Gehäuses 1 ein an dieses geschraubtes und durch eine lösbare Bodenplatte 19 verschlossenes Druckgefäß 20 erkennbar, welches zum Druckausgleich durch einen dünnen Spaltraum 21 mit dem Innenraum 23 des Gehäuses 1 verbunden bleibt.
Im Innenraum 24 des Druckgefäßes 20 liegen auf der Bodenplatte 19 drei von Kühlrippen 25 mindestens teilweise umfangene Meßzellen 26 fest; letztere sind im beschriebenen Ausführungsbeispiel U-fömig ausgebildet und ermitteln Gewichtsdifferenzen in an sich bekannter Weise durch Halbleiterdeformation.
Die Kühlrippen 25 gewährleisten - zusammen mit der Wandung 27 des Druckgefäßes 20 anliegenden Kuhlwicklungen 28 - einen von Temperatur- und KorrosionseinflUssen unbeeinträchtigten Wägevorgang.
Auf den Meßzellen 26 stützen sich Justierschrauben 29 ab, an denen ein Gerüst 30 verstellbar angebracht ist; dieses trägt ein Lager 31, in welchem die unterhalb dieses Lagers 31 von Kugelkränzen 32 geführte Welle 2 drehbar ruht.
Lager 31 und GerUst 30 werden von einer Blende 34 Uberspannt, welche aus dem Innenraum 23 des Gehäuses 1 durch den Schlitzraum 21 kommende Strahlungswärme auffängt.
Mit ihrem von der Blende 34 fernliegenden Ende 35 reicht die Welle 2 in eine topfähnliche Ausformung 40 der Bodenplatte 19; das Wellenende 35 um fängt ein Kranz 36 aus Stabmagneten. Auf diesen Stabmagnetenkranz 36 wird durch einen die Ausformung 40 umgebenden, an einem WellenstUck 37 sitzenden weiteren Magnetkranz 38 das von einer symbolisert dargestellten Motor-Getriebe-Einheit 39 erzeugte Drehmoment zur Rotation der Welle 2 Ubertragen.
Um axiale magnetische Kräfte, die das ItPågesignal beeinflussen könnten, zu eliminieren ist sowohl auf der innenliegenden Welle 2 als auch am außenliegenden Magnetkranz 38 nur eine gerade Anzahl von Stabmagneten angeordnet, die in ihrer Polarität jeweils paarweise abwechselnd ausgerichtetvsind.
Uber Leitungen 41 gelangen die von den - grundrißlich im Dreieck angeordneten - Meßzellen 26 ausgehenden Gewichtssignale zu einer Additions- und Vergleichselektronik 42, die mit Hilfe eines Regelsignals Uber einen Regler 45 und einer Leitung 46 den Hochfrequenzgenerator 13 entsprechend der Gewichtsabweichung regelt. Die Temperatur der Schmelze S wird verändert und die Durchmesserabweichung-gemessen durch die Gewichtsänderung - korrigiert.
Im weitern kann der Hochfrequenzgenerator 13 mit dem Regler 45 über eine an die 110tor-Getriebe-Einheit bzw.
den Antrieb 39 angeschlossene Leitung 47 die Rotationsgeschwindigkeit der Welle 2 und/oder über eine Leitung 48 das Steuergerät 17 des Ziehorgans 16 beeinflussen.

Claims

P A T E N T A N S P R U C FI E

1. Wägevorrichtung insbesondere zur automatischen Regelung von Kristallzuchtvorgängen mittels einer Meßzelle oder einem entsprechenden 'mPågeelement, auf der das Wägegut beispielsweise ein Kristallschmeizetiegel; unter Zwischenschaltung eines Tragorgans lastet, gekennzeichnet durch ein als dreh bare Welle (2) ausgebildetes, etwa vertikal gerichtetes Tragorgan, dessen vom Wägegut (K; S, U) fernes Ende -(35) in einem die Meßzelle/n (26) od. dgl.

umgebenden Druckgefäß (20) angeordnet und durch außerhalb dieses Druckgefäßes vorgesehene Antriebselemente (39) drehbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere im Druckgefäß (20) festliegende Meßzellen (26), auf denen ein das/die Lager (31, 32) fUr die Welle (2) haltendes GerUst (30) od. dgl. ruht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch drei im Druckgefäß (20) grundrißlich an den Spitzen eines gleichseitigen Dreiecks angeordnete Meßzellen (26).

4. Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (2) in dem gegebenenfalls gegenuber den Meßzellen (26), beispielsweise durch Justierschrauben (29), verstellbaren Gerüst (30) sowohl axial als auch radial reibungsarm lagert und außerhalb des Gerüstes mit einem Antrieb (39) berührungsfrei kuppel bar ist.

5. Vorrichtung nach wenigstens einem der Anspruche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungsende (35) der Welle (2) mit wenigstens einem Magnetorgan (36) versehen und diesem außerhalb des Druckgefäßes (20) zumindest ein vom Antrieb (39) drehbares magnetisches Gegenorgan (38) zugeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungsende (35) der Welle (2) von einem kouxialen zylindrischen Teil (40) des Druckgefäßes (20) umgeben und um diesen das magnetische Gegenorgan (38) des Antriebes (39) drehbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch zumindest ein kranzförmiges Magnetorgan (36 bzw. 38).

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das kranzartige Magnetorgan (36, 38) aus einer geraden Zahl von in ihrer Polarität jeweils paarweise abwechselnd ausgerichteten Stabmagneten gebildet ist.

9. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Teil (40) des Druckgefäßes (20) aus dessen lösbaren Gefäßboden (19) topfartig herausgeformt ist und letzterer die Meßzellen (26) trägt.

10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckgefäß (20) lösbar an dem Gehüuse (1) einer iCristallziehvorrichtung (A) od. dgl.

angeordnet und mit deren Innenraum (23) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Meßzellen (26) und/oder Druckgefäß (20) mit KUhlorganen (25, 28) ausgerüstet ist/sind.

12. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bEs 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Meßzellen (26) und dem Glägegut (K; S, U) bzw. einer dieses beeinflussenden Elärmeqvelle (12) wenigstens eine strahlenhemmende Blende (34) od. dgl. angeordnet und gegebenenfalls mit der Welle (2) drehbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (34) das GerUst (30) überspannt und von ihm durch ein reibungsarmes Lager (31) getrennt ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (34) mit der Welle (2) fest verbunden ist.

15. Vorrichtung nach wenigstens einem der Anspruche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß alle Meßzellen (26) mit einer Additions- und Vergleichselektronik (42) sowie einem dieser nachgeschalteten Regler (45) verbunden sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (45) mit dem Antrieb (39) für die Welle (2) verbunden ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (45) mit dem Generator (13) einer an sich bekannten, den Kristallschmelzetiegel (T) umgebenden Hochfrequenz-Induktionsspule (12) verbunden ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15, mit einem gegenüber dem Kristallschmelzetiegel bewegbaren Ziehorgan fUr einen Kristall, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler.(45) mit dem Ziehorgan (16) oder dessen Steuergerät (17) verbunden ist.

L e e r s e i t e