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Ziehkopf für Kristall-ZUchtungsöfen
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Beschreibung Ziehkopf für Kristall-Züchtungsöfen Die Erfindung bezieht
sich aui Vorrichtungen zum Ziehen von Einkristallbiöcken aus einer Schmelze und
betrifft insbesondere einen Ziehkopi für eine Kristallzuchtungsvorrich tung der
Bauart Czochralski.
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Zu einer Vorrichtung zum Züchten von Einkristallblöcken nach dem Czochralski-Verfahren
gehören ein Tiegel zum Aufnehmen einer Schmelze und eine mechanische Einrichtung,
die dazu dient, einen Kristall längs einer senkrechten Achse mit einer gleichmäßigen
Geschwindigkeit aus der Schmelze herauszuziehen und gleichzeitig eine Drehbewegung
des wachsenden Kristalls um die genannte Achse gegenüber der Schmelze herbeizuführen.
Die senkrechte Hubbewegung des Kristallblocks wird durch den "Ziehkopf"-Teil der
Vorrichtung herbeigeführt, welche die Aufgabe hat, die Drehachse in mechanischer
Fluchtung mit der senkrechten Ziehachse zu halten und die betreffenden Teile zugänglich
zu machen, um die Durchführung von Wartungsarbeiten während möglichst kurzer Unterbrechungen
des Fertigungsvorgangs zu ermöglichen. Bei bestimmten Vorrichtungen ist es ferner
erwünscht, die Vorrichtung in einem vakuumdichten Gehäuse zu betreiben, um eine
Verunreinigung möglichst zu vermeiden.
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Es ist bekannt, eine Kette mit kugeliörmigen Gliedern und eine Aufwickeltrommel
zu verwenden, um den Kristall senkrecht nach oben zu bewegen, während er aus der
Schmelze herausgezogen wird. Bei einer solchen bekannten Vorrichtung wird die Fluchtung
der unter der Wirkung der Schwerkraft
durch die Kugelkette bestimmten
Ziehachse mit der Drehachse dadurch aufrechterhalten, daß man die Aufwickeltrommel
veranlaßt, sich längs einer Gewindespindel quer zu der Achse zu bewegen, um die
der Kristall während des Ziehens gedreht wird.
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Bei der bekannten Einrichtung zum Verschieben der Trommel wird ein
Mechanismds mit Keilen oder Keilbahnen verwendet, oder man benutzt eine geradlinige
Kugelaufnahmebuchse, um die Trommel während ihrer Drehung längs ihrer Drehachse
zu fuhren. Hierbei haben eine ortsfeste Mutter und eine auf der Trommelachse angeordnete
Gewindespindel eine solche Ganghöhe, daß die Trommel jeweils um einen Betrag verlagert
wird, der gleich der Breite der Kette oder etwas größer ist.
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Auf diese Weise wird die Kette in ihrer tangentialen Lage gegenüber
der Umfangs fläche der Trommel und in ständiger Fluchtung mit der gewünschten Kristalldrehachse
gehalten.
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Da eine Schmierung der Gewindespindel und der Keilbahnanordnung bei
der bekannten Kettenzieheinrichtung erforderlich ist, ist es natürlich schwierig,
eine von Verunreinigungen freie Umgebung aufrechtzuerhalten, wie es beim Züchten
von Kristallen erwünscht ist.
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Bei der bekannten Anordnung führt die Notwendigkeit, die Trommel in
der Querrichtung zu bewegen, zu einer Vergrößerung des Raumbedaris des Ziehkopfes
und zu einer Beeinflussung des Gleichgewichts der Einrichtung, welche die Drehung
um die senkrechte Achse steuert. Ferner verursacht das Aufwickeln der Kette auf
der Trommel eine ungleichmäßige Aufwärtsbewegung, wenn sich die Glieder der unter
Spannung stehenden Kette an die Umfangsfläche der Trommel anlegen.
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Dieser Vorgang spielt sich auf ungeregelte Weise ab, so daß sich beim
Ziehen in senkrechter Richtung kleine Unregelmäßigkeiten ergeben.
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Bei Kristallziehvorrichtungen der vorstehend beschriebenen Art wird
eine Kette verwendet, deren Glieder durch kugelförmige Perlen gebildet werden. Zwar
bietet diese Anordnung verschiedene Vorteile, doch muß die Kette relativ häufig
erneuert werden. Bei einer Vorrichtung bekannter Art ist ein Ende der Kette mit
Hilie mechanischer Einrichtungen unmittelbar an der Trommel befestigt. Daher muß
man bei Wartungsarbeiten jeweils die gesamte Kette erneuern, und zu diesem Zweck
muß die den Ziehkopi enthaltende Kammer geöffnet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Kristallzüchtungsofen
der Bauart Czochralski einen Ziehkopf anzugeben, der wenig Raum beansprucht, das
Arbeiten mit einer großen Ziehlänge ermöglicht, Ferner soll ein Ziehkopf angegeben
werden, der große Stabilität aufweist und sich steuern läßt, daß gleichmäßige Dreh-
und Ziehbewegungen bei dem wachsenden Kristall block herbeigeführt werden können.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird der wachsende Kristall an einer
Kugelkette aufgehängt, und zum Ziehen wird ein dieser Kette angepaßtes Kettenrad
verwendet, von dem aus die ablaufende Kette in einen Aufnahmebehälter geleitet wird.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die seitlichen Flächen
des Kettenrades der Form der die Kette bildenden Kugeln dadurch angepaßt, daß diese
Flächen mit entsprechenden Taschen versehen sind.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird überschüssiges Kettenmaterial
bereitgehalten, so daß es nach Bedarf möglich ist, jeweils einen Teil einer thermisch
beanspruchten Kette zu beseitigen, um die Vorrichtung zum Ziehen eines neuen Kristalls
vorzubereiten.
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Zu diesem Zweck wird gemäß der Erfindung die Herbeiführung einer senkrechten
Bewegung der Kette und das Aufnehmen der Kette getrennt durchgeführt, und zwar mit
Hilfe eines Kettenrades zum senkrechten Ziehen der Kette sowie eines einfachen Behälters
zum Bereithalten von ungespanntem Kettenmaterial. Das mit der Kette zusammenarbeitende
Kettenrad ist durch die Kettenradzähne bildende konkave Taschen gekennzeichnet,
welche den kugelförmigen Gliedern der Kugelkette angepaßt sind, so daß sich der
Ziehvorgang auf gleichmäßigere Weise durchführen läßt.
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Um die Kette aufzunehmen, läßt man das freie Ende der Kette von dem
Kettenrad aus in einen Behälter lauien, so daß es nicht erforderlich ist, eine bewegbare
Ausrichteinrichtung zu verwenden, die synchron mit einer eine Drehbewegung hervorrufenden
Aufnahmeeinrichtungbetätigt werden muß.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine Kristallziehvorrichtung, bei
der die Erfindung angewendet ist; Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt des erfindungsgemäßen
Ziehkopfes; und Fig. 3 in einem vergrößerten Teilschnitt einen weiteren Teil der
Anordnung nach Fig. 2.
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Der Aufbau einer Kristallziehvorrichtung, bei der die Erfindung angewendet
ist, geht aus Fig. 1 hervor. Es ist ein Ofen 1 vorhanden, mittels dessen ein Tiegel
2 aus feuerfestem Material (gewöhnlich Quarz) erhitzt wird, um einen Vorrat 3 des
zu einem Kristall zu verarbeitenden Materials im geschmolzenen Zustand zu halten.
Aus der Schmelze 3 wird ein Kristall
4 mit Hilfe eines Ziehkopfes
5 und einer Verbindungseinrichtung 6 herausgezogen. Ein Gehäuse 7 umschließt die
gesamte Anordnung, um Verunreinigungen fernzuhalten und in bestimmten Fällen eine
nach außen abgedichtete Umschließung zu bilden, damit ein Unterdruck oder eine inerte
Atmosphäre aufrechterhalten werden kann. Zwei Motoren 8 und 9 dienen dazu, den Kristallblock
gegenüber der Schmelze zu drehen bzw. ihn nach oben zu ziehen.
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Die Erfindung läßt sich am besten anhand von Fig. 2 beschreiben, wo
die wichtigsten Bauteile des Ziehkopies dargestellt sind. Es ist ein vorzugsweise
aus einem durchsichtigen Material hergestelltes Gehäuse 10 vorhanden, das am oberen
Ende durch eine Platte 12 und am unteren Ende durch eine Platte 14 abgeschlossen
ist, um eine Umschließung illr den Ziehkopf zu bilden. In die untere Platte 14 ist
ein stehend angeordnetes Rohr 16 eingebaut, das zu der Kristallzüchtungseinrichtung
gehört. Ein wachsender Kristall 18, der aus der hier nicht dargestellten Schmelze
herausgezogen wird, wird von einem Keimhalter 20 aus unterstützt, der seinerseits
von einer sich aus Kugeln oder Perlen zusammensetzenden Kette 22 getragen wird,
welche sich aus einer Vielzahl von hohlen kugelförmigen Gliedern zusammensetzen
kann, die durch stangenförmige oder rohrförmige hantelähnliche Teile miteinander
verbunden sind. Die Kugelkette 22 arbeitet mit einem Kettenrad 24 zusammen, und
das freie bzw.
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ungespannte Ende der Kugelkette läuft von dem Kettenrad 24 ab, um
von einem Behälter 26 aufgenommen zu werden. Das Kettenrad 24 ist aus einem zylindrischen
Körper hergestellt, dessen Umfangs fläche mit Taschen zum Auinehmen der Glieder
der Kugelkette 22 versehen ist. Damit die Kugelkette das Kettenrad 24 über einen
ausreichenden Winkel umschlingt, ist eine Leitrolle 28 vorhanden, welche den ablauienden
Teil der Kette in Anlage an dem Kettenrad 24 hält. Damit das Erreichen des Endes
der Kette gefehlt werden kann, ist eine Schalterbetätigungseinrichtung
vorhanden.
Aui diese Weise wird der ablaufende Teil der Kugelkette 22 dem Sammelbehälter 26
zugeführt, und unabhängig ergibt sich die notwendige Fertigkeit zur Abstützung des
wachsenden Kristalls. Natürlich könnte man anstelle des Behälters 26 auch einen
Teil des Innenraums der Ziehkopfkamner verwenden.
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Eine Lagerbaugruppe 32 ermöglicht es, den gesamten Ziehkopi um die
senkrechte Achse 30 zu drehen. Ein ortsiester Motor 34 treibt den gesamten Ziehkopi
über Motor-Riemenscheiben 35, Riemen 36 und Ziehkopf-Riemenscheiben 37 an.
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Die senkrechte Ziehkrait wird durch einen Motor 38 erzeugt, der seine
Antriebskraft gemäß Fig. 3 mittels einer Kraftübertragungseinrichtung abgibt, die
von bekannter Art ist und mit einem solchen Untersetzungsverhältnis arbeitet, daß
die Welle 40 des Kettenrades 24 mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,1 bis
1,5 Umdrehungen Je Stunde gedreht wird. Eine weitere Möglichkeit, die Ziehgeschwindigkeit
einzustellen, ergibt sich daraus, daß man einen entsprechenden Durchmesser für das
Kettenrad 24 wählt. Im vorliegenden Fall hat das Kettenrad 24 eine Umfangslänge
von 254 mm, und die Untersetzungsverhältnisse lieiern in Verbindung mit dieser Umfangslänge
Ziehgeschwindigkeiten im Bereich von 25,4 bis 381 mm/Stunde. Gemäß Fig. 3 wird die
Welle 42, die sich längs einer senkrechten Achse 42' erstreckt, über ein Untersetzungsgetriebe
44 angetrieben. Die senkrechte Welle 42 setzt sich aus zwei Teilen zusammen und
ist mit einer Kupplung 45 versehen, damit sich die obere Platte 12 auf einiache
Weise entfernen läßt, um die arbeitenden Teile zugänglich zu machen. Ein Winkelgetriebe
46, z.B. ein solches mit einem Schneckenrad und einer Schnecke, bewirkt eine weitere
Untersetzung und überträgt die Antriebskraft auf die Welle 40 des Kettenrades 24.
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Während bei den bekannten Ziehköpfen mit wandernder Trommel eine Kette
von fester Länge verwendet wird, wird gemäß der Erfindung mit einer Kette von variabler
Länge gearbeitet.
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Das in dem Behälter 26 bereitgehaltene überschüssige Kettenmaterial
ermöglicht ein häufiges Erneuern des dem Kristallblock 4 benachbarten Teils der
Kette. Da sich die Festigkeit der Kette verringert, wenn sie im Bereich des Kristallblocks
ständig hohen Temperaturen ausgesetzt wird, wird gemäß der Erfindung die Gefahr
eines Kettenbruchs dadurch auf ein Minimum verringert, daß der betreffende Teil
der Kette routinemäßig erneuert wird, bevor ein neuer Kristallzüchtungsvorgang eingeleitet
wird. Dies wird gemäß der Erfindung durch das Bereithalten von überschüssigem Kettenmaterial
ermöglicht.
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In diesem Zusammenhang sei darauf aufmerksam gemacht, daß ein Kettenbruch
katastrophale Folgen hat, da ein mit großem Kostenaufwand gezüchteter Kristall zerstört
wird, da der Tiegel möglicherweise beschädigt wird und da eine Beschädigung weiterer
Bauteile innerhalb der heißen Zone erfolgen kann, so daß die Vorrichtung mit erheblichem
Zeitaufwand wieder betriebsfähig gemacht werden muß. Die Möglichkeit der Verwendung
von zusätzlichem Kettenmaterial steht bei den bekannten Ziehköpfen mit wandernder
Trommel nicht zur Veriügung, da das obere Ende der Kette an der Trommel befestigt
ist, um eine feste Beziehung zwischen der Drehung der Trommelziehachse und der Höhenlage
des Kristallblocks längs dieser Achse herzustellen. Der hier beschriebene Grundgedanke
läßt sich auch aui eine andere einfache Weise verwirklichen, wenn man eine Trommel
oder eine andere Aufspuleinrichtung anstelle des Kettenrades benutzt, wobei die
Aufhängeeinrichtung eine hinreichende Anzahl von Windungen bildet, um die Last durch
die Erzeugung einer ausreichenden Reibung zu stabilisieren. Auch dann würde der
nicht gespannte Teil der Aufhängungseinrichtung, z.B. einer Kette oder eines Seils,
so abgeführt, daß er von einem Teil der Umschließung der Vorrichtung aufgenommen
wird.
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L e e r s e i t e