DE2516197C3 - Wägevorrichtung zur automatischen Regelung des Durchmessers eines Kristalls beim Ziehen aus einem Tiegel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wägevorrichtung zur automatischen Regelung des Durchmessers eines Kristalls beim Ziehen aus einem Tiegel, mit drehbarer Welle, elektronischen Kraftmeßzellen und nachgeschal toten Additions- und Vergleichselektronik und Regler.

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 Kri.itallqualität bzw. der Wirtschaftlichkeit ein bestimmter Durchmesserverlauf über die Länge der Kristallachse gefordert bzw. gewünscht, so stellt dies große Anforderungen an das Bedienungspersonal, da eine Kortrolle durch visuelle Beobachtung der Grenzfläche von Kristall und Schmelze sowie entsprechende hinstellung 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 geschulte Fachkräfte. In vielen Fällen ist aber aus technischen Cirunden — beispielsweise beim Absinken des Schmelzcnspiegels oder bei der Zucht \,>n Krislallen nach der sogenannten Flüssig-Unihülluntjs-Technik (Liquid Encapsulated Czochralski-Methodc) unter Hochdruck — die visuelle Beobachtung des Durchmessers in bestimmten Stadien nicht oder sehr schwer möglich, so daß eine automatische Regelung des Durchmesserverlaufs notwendig wird, zumal jede Automatik auch die Personalkosten verringert und die Auslastung der teueren Kristallzuchtanlagen verbessert.

Eine herkömmliche Art der automatischen Durchmesserkonirolle benutzt die Gewichtsänderung des wachsenden Kristalls bzw. der Schmelze als Regelgröße. Dabei wird Kristall oder Schmelze gewogen und die Istgewichtsänderung mit einer dem gewünschten Durchmesserverlauf entsprechenden Sollgewichtsänderung verglichen. Auftretende Differenzen werden zum automatischen Verstellen der Schmelztemperatur 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 erhältliche Waage stellen; muß jedoch der Hegel aus technischen Gründen während des Kristallzuchtvorganges zum Ausgleich von Temperaturgradienten ständig gedreht werden, so beeinflussen die notwendigen Antriebsteile in unzulässiger Weise das Wägeergebnis; dies macht sich besonders bemerkbar, da die zu messenden Gewichtsänderungen in der Größenordnung zwischen einigen Milligramm und einigen Gramm 'iegen, was an das Auflösungsvermögen der Waage große Anforde-

rungen stellt

Normale Waagen sind auch dann ungeeignet, v/enn der Kristaüzuchtraum durch den notwendigen Einsatz von Vakuum oder hohen Drücken geschlossen bleiben muß, da jede gedichtete Durchführung zur Waage dem Meßwert Reibungskräfte überlagert 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 Dämpfe.

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 überwunden zu werden vermögen, daß man die Kraftmeßzelle mit dem Tiegel rotieren läßt. Hierzu bedarf es aber für die elektrischen Zu- und Ableitungen einiger Schleifringkontakte, die in korrosiver Umgebung störanfällig und darübe^r hinaus nicht störpegelfrei sind. Zudem bleiben manche Kraftmeßzel· len empfindlich gegenüber radialen Kräften, wie sie u. a. durch rotierende exzentrische Lasten hervorgerufen werden.

So hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, die erkannten Mangel an Wägevorrichtungen der eingangs erwähnten Art zu beseitigen und die Möglichkeiten einer gewichtsabhängigen automatischen Regelung bei automatischen Kristallzuchtvorgängen iu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt eine Wägevorrichtung der eingangs genannten Art bei der die Wellt: mit ihrem dem Tiegel fernen Ende, in einem verschlossenen mit dem Innenraum des Gehäuses verbundenen, die festliegenden Kraftmeßzellen enthaltenden Druckgefäß drehbar angeordnet ist, und daß auf den Kraftmeßzellen ein ein Lager für die Welle aufweisendes Gerüst ruht.

In Weiterbildung der Erfindung ruht das Gerüst, in welchem die Welle unterhalb des Lagers von Kugelkiän/.en geführt ist, mittels Justierschrauben verstellbar auf den Kraftrneßzellen. Als besonders günstig haben sich dabei drei gleichmäßig um die Welle gruppierte Kraftmeßzellen erwiesen, da das Gewicht so von drei beispielsweise an den Spitzen eines gleichseitigen Grundrißdreiecks angeordneten Kraftmeßzeüen aufgenommen wird. Dadurch können die durch Taumelbewegungen des sich drehenden Wägegutes auftretenden periodischen Veränderungen des gemessenen Gewichtes durch einfache analoge bzw. digitale Addition der drei den Gewiohtsanteilen proportionalen elektrischen Ausgangssignale der Meßzellen eliminiert werden.

Durch die ruhende Anordnung der Meßzellen werden von diesen die Gewichtssignale ohne die sonst bei drehenden Systemen erforderlichen Schleifringkontakte abgenommen, was die von letzteren bekannten beschriebenen Störungen unterbindet. Darüber hinaus können die Meßzellen der entsprechenden Wägeelemeine nunmehr vor dem Einfluß der hohen Temperatur und der korrosiven Medien geschützt werden.

LJ,η eine weitere Störungsquelle auszuschalten, ist die Wolle vorteilhafterweise außerhalb des Gerüstes mit c.iKin Antrieb berührungsfrei zu kuppeln. Hierzu wird aas Kupolungsende der Welle erfindungsgemäß mit wepgstens einem Magnet.>rgan versehen und diesem außerhalb des Druckgefäßes zumindest ein vom Antrieb drehbares magnetisches Gegenorgan zugeordnet; das Kupphngsenae uTigibt bevorzugt ein zylindrischer Teil des Druckgefäßes, um den. das magnetische Gege.io,·- gan das ATriebes gedreh¹. wird. Die magreiiscro ÜaiJT-' \ies Dreh.iionienies auf die WeLc elinrniert alle eine Gewichtserfassung behindernden Reibungseinnüsse.

Als besonders günstig hat es sich erwiesen, zumindest eines der Magnetorgane — bevorzugt beide — kranzförmig zu gestalten und diese Magnetkränze aus einzelnen Stabmagneten zu bilden.

So soll vorteilhafterweise sowohl auf der innenliegenden Welle als auch im äußeren Magnetkranz eine gerade Anzahl von Stabmagneten vorgesehen und diese

Hi in ihrer Polarität jeweils paarweise abwechselnd ausgerichtet werden. Diese Anordnung verhindert axiale magnetische Kräfte, welche das Wägesignal beeinflussen könnten.

Vorgesehen sind außerdem Kühlorgane zum Kühlen

' '■· der Wände des Druckgefäßes sowie der Meßzellen, um dsn Wägevorgang unbeeinflußt von Temperatur- und Korrosionseinflüssen durchführen zu können. Zur Abschirmung dienen zum einen Kühlrippen oder Kühlwicklungen sowie zum anderen Blendschirme, die

; · zwischen der Wärmequelle und der Wägevorrichtung angebracht sein sollen. So wird beispielsweise eine Blende mit der Welle verbunden und mit dieser gedteht; dabei kann die Blendenfläche selbst als Aufleger für die Welle herangezogen werden, was den Konstruktions-

: · aufwand erheblich vermindert.

Um mittels der Meßzellen bei einem Kristallzuchtvorgang den gewünschten Durehmesserverlauf optimal regulieren zu können, wird das Ausgangssignal entweder analog oder digital weiterverarbeitet. Das Summen·

.■■■ signal tier drei Meßzellen wird mil einem Sollwert verglichen und Differenzen über einen Regler mit Stellglied auf Leistungsveränderungen der Heizung, Geschwindigkeilsverinderung des den Kristall hochziehenden Gestänges bzw. des die Schmelze drehenden

:< Tragorgans umgesetzt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbcispiele, sowie anhand der Zeichnung: diese zeigt in

to Fig. ! den schematisierten und teilweise geschnittenen Aufriß einer Kristallziehvorrichiung;
F ι c. 2 ein vergrößertes Detail aus F i g. 1.
Im Gehäuse 1 eines Ziehgerätes .4 zur Züchtung von Kristallen — beispielsweise von Einkristallen n.ich dem sogenannten Czochraiski-Verfahren — ist auf einer in der Geräteachse M verlaufenden vertikalen Welle 2 eine Tragvorrichtung 6 für einen Kristallschmeizetiegel Tangeordnet. Der Spiegel 5p einer in diesem Tiegel T vorhandenen Schmelze 5 befindet sich in einem Abstand h zum Gehäuseboden 5, in dessen Getriebekasten 4 ein in F i g. 1 nicht verdeutlichter Antrieb liegt.

Die linke Hälfte der F i g. 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 (AbOi) bildet.

Die Tragvorrichtung 6., der rechten Figurenhälfte besteht aus einer Bodenplatte 7 mit Ringwand 9: Wandung U des Tiegels T wird hier unmittelbar von

jO einer Hochfrequenz-Induktionsspule 12 umfangen, die an einen Hochfrequenzgenerator 13 angeschlossen ist.

In die Schmelze S ragt ein an einem vertikalen Ziehstab 14 hängender Impfkristall 15, der von einem Zlvhorgan 16 gesteuert — unter Bildungeines Kristalles

j5 K — aus der Schmelze S gehoben zu werden vermag: hier/u is' d ι? .iichorgnn IS mit einem Steuergerät 17 verburiuen.

In Fi g. 2 i<; iint jrhaib d;s 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 Ausführungsbeispie! U-förmig ausgebildet und ermitteln Gewichtsdifferenzen in an sich bekannter Weise durch Halbleiterdeformation.

Die Kühlrippen 25 gewährleisten — zusammen mit der Wandung 27 des Druckgefäßes 20 anliegenden Kühlwicklungen 28 — einen von Temperatur- und Korrosionseinflüssen 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 Gerüst 30 werden von einer Blende 34 überspannt, 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 umfängt ein Kranz 36 aus Stabmagneten. Auf diesen Stabmagnetenkranz 36 wird durch einen die Ausformung 40 umgebenden, an einem Wellenstück 37 sitzenden weiteren Magnetkranz 38 das von einer symbolisiert dargestellten Motor-Getriebe-Einheit 39 erzeugte Drehmoment zur Rotation der Welle 2 übertragen.

Um axiale magnetische Kräfte, die das Wägesignai 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 ausgerichtet sind.

Über Leitungen 41 gelangen die von den — grundrißlich im Dreieck angeordneten — Meßzellen 26

^; ausgehenden Gewichtssignale zu einer Additions- und Vergleichseieklronik 42, die mit Hilfe eines Regelsignals über einen Regler 45 und einer Leitung 46 den Hochfrequenzgenerator 13 entsprechend der Gewichtsabweichung regelt. Die Temperatur der Schmelze 5

■-.ι wird verändert und die Durchmesserabweichung — gemessen durch die Gewichtsänderung — korrigiert.

Im weiteren kann der Hochfrequenzgenerator 13 mit dem Regler 45 über eine an die Motor-Getriebe-Einheit bzw. den Antrieb 39 angeschlossene Leitung 47 die

- ί Rotationsgeschwindigkeit der Welle 2 und/oder über eine Leitung 48 das Steuergerät 17 des Ziehorgans 16 beeinflussen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Wägevorrichtung zur automatischen Regelung des Durchmessers eines Kristalls beim Ziehen aus einem Tiegel, mit drehbarer Welle, elektronischen Kraftmeßzellen und nachgeschalteten Additions- und Vergleichselektronik und Regler, d a -durch gekennzeichnet, daß die Welle (2) mit ihrem dem Tiegel fernen Ende in einem verschlossenen, mit dem Innenraum (23) des Gehäuses (1) verbundenen, die festliegenden Kraftmeßzellen (26) enthaltenden Druckgefäß (20) drehbar angeordnet ist, und daß auf den Kraftmeßzellen (26) ein ein Lager (31) für die Welle (2) aufweisendes Gerüst (30) ruht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerüst (30), in welchem die Welle (2) unterhalb des Lagers (31) von Kugelkränzen (32) geführt ist, mittels Justierschrauben (29) verstellbar auf den Kraftmeßzellen (26) ruht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßzellen (26) grund rißlich an den Spitzen eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (2) außerhalb des Gerüstes mit einem Antrieb (39) berührungsfrei kuppelbar ist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 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 oegenorgan (38) zugeordnet ist.

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

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und fa, gekonnzeichnet 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 Anspruch 6, dadurch gekennzeichnjt, daß der zylindrische Teil (40) des Druckgefäßes (20) aus dessen lösbaren Gefäßboden (19) topfartig herausgeformt ist, und daß letzterer die Kraftmeßzellen (26) trägt.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9. dadurch gekennzeichnet, daß das Druckgefäß (20) lösbar an dein Gehäuse (1) der Kristallzieheinricntung (.4,) befestigt ist.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10. dadurch gekennzeichnet, daß Kraftmeßzellen (26) und/oder Druckgefäß (20) mit Kühlorganen (25, 28) ausgerüstet ist/sind.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen I bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kraftmeßzellen (26) und dem Tiegel (T) bzw. in einer diesen beeh'lusse'iden Wärmequelle (12) wenigstens eine straiiiennemmende Blende (34) angeordnet und jcjeb ebenfalls mil der Welle |2'| drehbar ist.

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

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