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Beschreibung
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Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zur Züchtung der Einkristalle
aus der Schemlze, und insbesondere auf Einrichtungen zur Züchtung der Einkristalle
aus der Schmelze mit einem Impfkristall.
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Die Erfindung kann besonders effektiv zur Züchtung von orientierten
Einkristallen mit großen Abmessungen aus der Schmelze verwendet werden1 die eine
große Länge und große Durchmesser haben, z.B. von optischen und Szintillationsalkalihalogenideinkrfstallen,
Halbleitereinkristallen (Germanium, Silizium).
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Zur Zeit werden Einrichtungen zum Einkristaflziehen aus der Schmelze
mit einem rotierenden abkühlbaren Impfkristall nach dem Czochalski-Verfahren bereits
verwendet. Im Vergleich zu den anderen bekannten Verfahren gibt die Einkristallzüchtung
nach dem Czochalski-Verfahren die Möglichkeit, Einkristalle mit einer besseren Qualität,
nämlich hoher Reinheit, höchster Vollkommenheit der Struktur, präziser kristallografischer
Orientierung und gleichmäßiger Verteilung von Beimengungen im Falle der Dotierung,
zu erhalten.
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Die bekannten Einrichtungen zum Einkristallziehen aus der Schmelze
mit einem Impfkristall enthalten eine luftdichte Kammer mit einem Tiegel und einem
Erhitzer, eine wassergekühlte Stange mit einem Impfkristallhalter und Antriebe für
die Drehung und ftir die hin- und hergehende Verschiebung der Stange, die aus Elektroaotoren
und einem mechanischen Getriebe bestehen. Die mechanischen Getriebe sind am Gehäuse
der Kammer starr befestigt und kineinatisch mit der Stange verbunden,
die
Elektromotoren sitzen auf Dämpfern und sind durch elastische Kupplungen mit dem
mechanischen Teil des Antriebs verbunden, um die Schwingung zu verringern.
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Ein Nachteil dieser Konstruktion ist, daß die durch das mechanische
Getriebe hervorgerufene Schwingung direkt auf die Stange mit dem Impfkristallhalter
übertragen wird. Das führt zu Schwingungen am zu züchtenden Einkristall und der
Schmelze im Tiegel und folglich zur Störung der Stabilität des Einkristallwachstums.
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Bekannt ist auch eine Einrichtung zum Einkristallziehen aus der Schmelze,
die neben den Antrieben für die hin- und hergehende Verschiebung und Drehung der
Stange des Impfkristallhalters eine Vorrichtung zum Aufhängen des Impfkristallhalters
aufweist.
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Um ein Pendeln des Impfkristallhalters auszuschließen und die Übertragung
der Schwingungen auf ihn zu beseitigen, besteht die Vorrichtung zum Aufhängen des
Impfkristallhalters aus einer Kette aus einer Reihe von sphärischen hohlen Elementen,
deren Außendurchmesser ihre Friktionsverkettung mit der Büchse sichert, die mit
dem Rotationsantrieb verbunden ist und dem Impfkristallhalter eine Drehbewegung
überträgt.
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Die Kugeln sind miteinander mit Hilfe von starren Verbindungselementen
beweglich verbunden, deren Querabmessungen geringer als der Kugeldurchmesser sind.
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Diese Konstruktion zum Aufhängen des Impfkristallhalters schließt
die Übertragung der Schwingungen auf ihn aus, jedoch gibt es keine Möglichkeit,
bei der Kristallzüchtung eine Zwangskühlung des Impfkristallhalters zu verwenden,
da es nicht möglich ist, die Kettenelemente zuverlässig abzudichten und folglich
auch nicht möglich ist, durch diese ein Kältemittel zu fuhren.
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Bekannt ist weiter eine Einrichtung zur Kristallzüchtung
nach
dem Czochalski-Verfahren, in der das Drehmoment vom Antrieb auf die Stange des Impfkristallhalters
mit Hilfe eines elastischen Riemens übertragen wird.
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Ein Nachteil dieser Konstruktion besteht darin, daß wegen der Elastizität
des elastischen Riemens eine Ungleichmäßigkeit bei der Drehung des Impfkristallhalters
entsteht, die zu Niederfrequenzschwingungen des Einkristalls führt, was bei der
Züchtung der Einkristalle mit einer großen Masse und mit großen Abmessungen besonders
gefährlich ist, da eine Zerstörung des Impfkristalls und ein Abreißen des Einkristalls
möglich ist.
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Bekannt ist weiter eine Einrichtung zum Einkristallziehen aus der
Schmelze, die eine auf einem beweglichen Schlitten angeordnete wassergekühlte Stange
mit einem Impfkristallhalter und Antriebe für die hin- und hergehende Verschiebung
und Drehung der Stange umfaßt.
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Die Antriebe für die Drehung und Verschiebung der Stange, die Elektromotoren
und ein Schaltgetriebe aufweisen, sind auf einem starren Rahmen auf schwingungsdämpfenden
federnden Elementen aufgestellt. Der bewegliche Schlitten, in dem die Stange mit
dem Impfkristallhalter in Wälzlagern sitzt, kann die hin- und hergehende Bewegung
längs der Stangenachse durch Führung mittels eines Schraubengetriebes vollziehen,
das mit dem Antrieb der Stangenverschiebung verbunden ist.
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Das Drehmoment wird vom Antrieb für die Drehung über eine elastische
Kupplung auf die Keilwelle, die in unmittelbarer Nähe der Stange des Impfkristallhalters
und parallel dazu vorgesehen ist, und von der Keilwelle über eine Zahnradübersetzung
auf die Stange mit dem Impfkristallhalter übertragen. Bei der hin- und hergehenden
Verschiebung des Schlittens mit der Stange und dem Impfkristallhalter verschiebt
sich das Treibrad der Zahnradübersetzung auf den Keilen der
Keilwelle.
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Ein Nachteil dieser Einrichtung besteht darin, daß die direkte Ubertragung
des Drehmoments auf die Stange mit dem Impfkristallhalter über die Zahnradübersetzung
Schwingung der Stange mit dem Impfkristallhalter hervorruft. Das führt zu einer
Qualitätsverschlechterung der Einkristalle und vergrößert die Wahrscheinlichkeit
des Abreißens des Einkristalls, insbesondere bei der Züchtung von Einkristallen
mit großen Abmessungen und einer großen Masse.
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Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der obengenannten Nachteile.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe der Entwicklung einer Einrichtung
zur Einkristallzüchtung aus der Schmelze mit einem Impfkristall zugrunde, die eine
wesentliche Verringerung der Schwingungen bei der Ubertragung der Drehung vom Antrieb
auf die Stange mit dem Impfkristallhalter ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der Einrichtung zur Einkristallzüchtung
aus der Schmelze, die eine hohle Stange mit einem Impfkristallhalter, die in einem
Schlitten zusammen mit dem Impfkristall längs ihrer vertikalen Längsachse hin- und
her verschiebbar angeordnet ist, einen Antrieb für die Drehung der Stange um ihre
Längsachse und ein Kühlsystem der Stange aufweist, erfindungsgemäß der Antrieb der
Stange eine Antriebswelle enthält, die koaxial in das Innere der hohlen Stange unter
Bildung eines Zwischenraumes ragt, wobei die Stange und die Antriebswelle in einem
Verzahnungseingriff für ihre gemeinsame Drehung um die Längsachse der Antriebswelle
und für die hin- und hergehende Verschiebung der Stange zusammen mit dem Schlitten
längs der Längsachse der Antriebswelle stehen.
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Der Verzahnongseingriff kann einen Bolzen, der an der Stange
starr
befestigt ist, und eine an der Außenoberfläche der Antriebswelle ausgeführte Nut
aufweisen, in die der Bolzen eingreift, wobei im Zwischenraum zwischen der Stange
und der Antriebswelle eine mit der Stange starr verbundene Laufbüchse angeordnet
ist, die die Antriebswelle umgibt, und der Raum zwischen der Laufbüchse und der
Stange mit Mitteln zur Erzeugung einer Zirkulation des Kältemittels in ihm versehen
ist.
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Die Erfindung ermöglicht es, die Schwingungen der Stange des Impfkristallhalters
durch Übertragung der Stangendrehung über die starr mit der Stange verbundene Laufbüchse
und die Längsnut auf der Außenoberfläche der Antriebswelle wesentlich zu verringern.
Die Konstruktion hat eine minimale Kontaktfläche für die das Drehmoment übertragenden
sowie zueinander in Radial- und Axialrichtung frei verschiebbaren Glieder. Dies
führt zu einer wesentlichen Verringerung der Schwingungen und zu einer Qualitätserhöhung
des zu züchtenden Einkristalls.
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Erfindungsgemäß ist das Züchten von Einkristallen mit einer großen
Masse, bei welchem ein Schwingen der Stange des Impfkristallhalters zum Abreißen
des wachsenden Einkristalls vom Impfkristall führen kann, mit wesentlich gesteigerter
Zuverlässigkeit möglich.
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Anhand der Zeichnung, die eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung im Axialschnitt zeigt, wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
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Die Einrichtung hat eine luftdichte Kammer 1, in deren Hohlraum ein
Tiegel 2 mit der Schmelze 3 angeordnet ist. Der Tiegel 2 ist von einer Heizung 4
in'einer Auskleidung 5 umgeben. In die Kammer 1 ist durch den Deckel 6 und eine
Abdichtung 7 eine vertikale Stange 8 abdichtend eingeführt, die hohl ist und einen
geschlossenen Boden hat. Am unteren Stangenende 8 ist ein Halter 9 mit einem Impfkristall
10 befestigt, an dem ein Einkristall 11 gezüchtet wird. Das obere Stangenende 8
wird an einer Büchse 12 befestigt, die in Lagern
13 an einem Schlitten
14 befestigt ist. Im oberen Endbereich der Stange 8 sind zwischen zwei Abdichtungen
16 Öffnungen 15 zum Herausführen eines Kältemittels aus der Stange 8 in eine Sammelleitung
17 vorgesehen.
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An der Büchse 12 ist ein Bolzen 18 starr befestigt, der frei in eine
Nut 19 einer Antriebswelle 20 ragt, die koaxial zur Stange 8 angeordnet ist. Die
Antriebswelle 20 ist hohl. Ihr unteres Ende ist mit einer Abdichtung 21 versehen,
durch die in den inneren Hohlraum der Antriebswelle 20 ein Rohr 22 ragt, das im
Boden einer starr mit der Stange 8 verbundenen Laufbüchse 23 abdichtend befestigt
ist. Die Laufbüchse 23 ist zwischen der Stange 8 und der Antriebswelle 20 angeordnet.
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Das obere Ende der Antriebswelle 20 ist in Lagern 24 an einer Platte
25 befestigt. Im oberen Endbereich der Antriebswelle 20 befindet sich eine Abdichtung
26, durch die ein Rohr 27 durchgeführt ist. Das obere Ende der Antriebswelle 20
ist durch eine Zahnradübersetzung 28, durch elastische Kupplungen 29 und eine Keilwelle
30 mit einem Antrieb 31 für die Drehung der Stange 8 verbunden, die an einem Rahmen
33 mittels schwingungsdämpfenden Elementen 32 befestigt wird. Auf der Platte 25,
die auf dem Rahmen 33 starr befestigt ist, sind zwei Schneckengetriebe 34 angeordnet,
an deren Ausgangswellen zwei Schnecken 35 befestigt sind, die durch die hohlen Führungen
36, die an der Platte 25 befestigt sind, hindurchgehen. Auf den Schnecken 35 sind
Muttern 37 angeordnet, die mit dem Schlitten 14 starr verbunden sind. Die Schneckengetriebe
34 sind mit Hilfe von elastischen Kupplungen 38 und einer Keilwelle 39 mit einem
Antrieb 40 für eine hin- und hergehende Verschiebung der Stange 8 verbunden, die
über schwingungsdämpfende Elemente 41 an dem Rahmen 33 sitzt.
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Die Einrichtung arbeitet folgendermaßen: In den Tiegel 2 wird der
Ausgangsstoff gefüllt. An der Stange 8 wird mit Hilfe
des Halters
9 der Impfkristall 10 befestigt. Die Kammer 1 wird hermetisch abgeschlossen. Über
die Heizung 4 wird der Ausgangsstoff geschmolzen. Bevor die Heizung 4 eingeschaltet
wird, schaltet man das Kühlsystem der Stange 8 ein. Dabei wird in die Stange 8 durch
das Rohr 27 und das Rohr 22 in den Raum zwischen der Stange 8 und der Laufbüchse
23 ein Kühlmittel eingeführt, das später durch die Öffnung 15 in der Stange 8 zwischen
den Abdichtungen 16 in die Sammelleitung 17 abgeleitet wird. Man schaltet den Antrieb
31 für die Drehung der Stange 8 ein, der über die elastischen Kupplungen 29, die
Keilwelle 30, die Zahnradübersetzung 28, die Antriebswelle 20 und den Bolzen 18
die Büchse 12 und durch sie die Stange 8 mit dem Impfkristall 10 dreht. Nachdem
die erforderliche Temperatur der Schmelze 3 gewählt ist, schaltet man den Antrieb
40 für die hin- und hergehende Verschiebung der Stange 8 längs der Welle 20 ein.
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Das Drehmoment wird durch die elastischen Kupplungen 38, die Keilwelle
39 und die Schneckengetriebe 34 auf die Schnecken 35 übertragen, die mit Hilfe der
Muttern 37 den Schlitten 14 und mit ihm zusammen auch die Stange 8 mit dem Impfkristall
an den Führungen 36 herunterlassen, bis der letztere mit der Schmelze 3 in Berührung
kommt.
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Nach dem Beginn des Wachstums des Kristalls 11 wird der Antrieb 40
für die Verschiebung der Stange 8 in die entgegengesetzte Richtung ungeschaltet,
so daß die Stange 8 mit dem Impfkristall 10 und dem wachsenden Einkristall 11 nach
oben mit einer Geschwindigkeit zu steigen beginnt, die das Wachstum des Einkristalls
11 mit dem angegebenen Durchmesser sichert.
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Nach der Beendigung der Züchtung des Einkristalls 11 durch die Erhöhung
der Geschwindigkeit der Verschiebung der Stange 8 nach oben trennt man den Kristall
11 von der Schmelze 3. Die Kühlmittelzufuhr wird eingestellt, der Antrieb 31 für
die
Drehung der Stange 8 sowie die Reizung 4 werden ausgeschaltet, die Kammer 1 wird
geöffnet und der Einkristall 11 herausgenommen.
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Die Anordnung der Antriebe 31 und 40 auf den schwingungsdämpfenden
Elementen 32 und 41 und die Übertragung des Drehmoments auf die Stange 8 mit dem
Impfkristall 10 über die koaxial angeordnete Antriebswelle 20 mit Hilfe des Bolzens
18, der mit der Stange 8, an der der Halter 9 befestigt ist, starr verbunden ist
und sich frei in der Nut 19 der Antriebswelle 20 befindet, beseitigt die Übertragung
der Schwingungen der Antriebe 31 und 40 auf den zu züchtenden Eurkrjistall 11, wodurch
die Möglichkeit gegeben wird, hochqualitative Einkristalle mit großen Abmessungen
zu züchten.