DE3134118A1

DE3134118A1 - Kristallziehvorrichtung

Info

Publication number: DE3134118A1
Application number: DE19813134118
Authority: DE
Inventors: Clifton B. 20192 Needham Mass. Sibley
Original assignee: Ferrofluidics Corp
Current assignee: Ferrofluidics Corp
Priority date: 1980-09-02
Filing date: 1981-08-28
Publication date: 1982-04-08
Also published as: FR2489373A1; JPS57118088A; US4301120A; FR2489373B3

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ziehen ei"*-- nes Einkristalls aus einer Schmelze, und insbesondere einen Ziehkopf für eine Kristallziehvorrichtung nach Czochralski, in der der Kristall an einer Kette hängt.

Es ist bereits eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalle nach Czochralski bekannt, die einen Schmelztiegel für die Aufnahme einer Schmelze zum andauernden Ziehen eines Kristalls aus der Schmelze in einer Vertikalachse und bei im wesentlichen gleichmäßiger Ziehgeschwindigkeit aufweist, wobei gleichzeitig eine Drehung um die Vertikalachse zum Wachsen des Kristalls gegenüber der Schmelze erfolgt. Das vertikale Anheben des wachsenden Kristalls wird durch einen Ziehkopf erreicht, dessen Drehachse mit der vertikalen Ziehachse fluchten muß, während gleichzeitig aus Gründen der Wartung und zur Erzielung eines schnellen Durchsatzes eine leichte Zugriff smög.lichkeit bestehen soll. Es ist außerdem manchmal zweckmäßig, das Ziehen des Kristalls in einem vakummdichten Gehäuse durchzuführen, um frei von Verunreinigungen zu bleiben.

Es ist bereits bekannt, eine Kugelkette zum Halten und vertikalen Anheben des Kristalls beim Ziehen aus der Schmelze zu verwenden, wobei eine Aufnahmetrommel zum Aufwickeln der ungespannten Kette dient. Bei der bekannten Vorrichtung wird die Ausrichtung der Ziehachse durch die auf die Kugelkette wirkende Schwerkraft erreicht, während die Ausrichtung der Drehachse durch Bewegung der Aufnahmetrommel entlang einer Stellschraube quer zur Kristallzieh-Drehachse erfolgt. Die bekann-"10 te Trommelverschiebevorrichtung verwendet eine Keiloder Federeinrichtung oder ein lineares Kugellager, um

die Trommelverschiebung während der Drehung an der Drehachse zu halten. Eine feststehende Mutter und Leitspindel auf der Achse der Trommel haben eine derartige'

"15 Gewindesteigung, daß sie die Trommel um einen Betrag verschieben, der der Kettenbreite entspricht. Auf diese Weise wird die Kette tangential bezüglich des Trommelumfangs und in konstanter Ausrichtung mit der gewünschten Kristalldrehachse gehalten. Die Schmierung für die Leitspindel und die Feder der bekannten Kettenziehvorrichtung stellen natürlich einen wesentlichen Nachteil für die Aufrechterhaltung einer verunreinigungsfreien Umgebung beim Kristallwachstum dar.

²^ Durch die Querverschiebung der bekannten Trommel erfordert der Ziehkopf einen großen Raumbedarf und beein-

flußt eine Abgleichvorrichtung, welche die Drehung um die Vertikalachse steuert. Das Winden der Kette um die Trommel hat ein ungleichmäßiges Anheben zur Folge, wenn die gespannte Kette auf der Trommeloberfläche abrutscht und sich entspannt.

Die bekannte Ziehvorrichtung verwendet eine Kugelkette, bei der Kugeln durch Kettenverbindungen miteinander verbunden sind. Von dem gleichen Erfinder wurde bereits eine Vorrichtung vorgeschlagen, die einen kompakten Ziehkopf aufweist, der große Ziehlängen mittels einer Kugelkette und eines Kettenrades erreicht, welches der Form der Kugeln entspricht, indem Taschen in der Querfläche des Kettenrades vorgesehen sind. Die gewünschte Auflage— und Drehachse fallen mit einer Tangente des Kettenrades zusammen und ungespannte Kette wird in einem in der Nähe des Kettenrades vorgesehenen Speicherraum untergebracht. Bei dieser Vorrichtung sind die Stabilität und die Steuerung des wachsenden Kristalls wesentlich verbessert, während eine gleichmäßige Dreh- und Vertikalbewegung aufrechterhalten werden. Die Vorrichtung weist eine Anzahl von Vorteilen auf; als gemeinsamer Nachteil mit dem übrigen Stand der Technik ist es jedoch anzusehen, daß die Kette oder ein Kabel in verhältnismäßig häufigen Abständen ausgetauscht werden müssen. Bei der bekannten Vorrichtung wird die

Kette an der Trommel unmittelbar durch mechanische Befestigungselemente befestigt. Es muß somit der Ziehkopf geöffnet werden, um das feste Ende der ausgetauschten Kette an der Trommel zu befestigen. Beim Gegenstand der erwähnten unveröffentlichten Anmeldung muß . ebenfalls der Ziehkopf geöffnet werden, um eine neue Kette einzuführen. Die Trommel braucht jedoch nicht ausgerichtet zu werden und es braucht auch die Kette nicht mittels eines■Befestigungsteils an einer Aufnahmevorrichtung befestigt zu werden. Alle zuvor erwähnten Vorrichtungen erfordern somit unzweckmäßig große Vakuumdichtungen und lange Abschaltzeiten.

Es ist Aufgabe der Erfindung,' einen Ziehkopf für eine Kristallziehvorrichtung nach Czochralski weiterzubilden.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird der wachsende Kristall an einer Kugelkette aufgehängt, wobei das Ziehen durch ein Kettenrad erfolgt, welchem eine Kette durch eine über dem Kettenrad angeordnete Öffnung zuführbar ist.

Vorzugsweise erfolgt die Zufuhr der Kette zu der Öffnung durch ein Führungsrohr.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das Führungsrohr mit einer Dichtkappe versehen, welche das . Gehäuse der Kristallziehvorrichtung hermetisch abdichtet.
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Diese Ziele und Merkmale sind bei einer Vorrichtung verwirklicht, welche die Vertikalbewegung der Kette und die Kettenaufnahme durch ein Kettenrad zum senkrechten Ziehen sowie einen Speicherraum zum Speichern der ungespannten, aufgenommenen Kette trennt. Das die Kette erfassende Kettenrad weist konkave Taschen auf, welche die Kettenradzähne bilden. Diese Taschen sind der Form der Kugeln der Kugelkette angepaßt. Durch diese Form der Kette läßt sich eine Kette leicht vom Kettenrad erfassen und es kann die gesamte Länge der Kette ohne Demontage des Ziehkopfes ausgetauscht werden.

Der Kettenaustausch erfolgt durch Einleiten des freien

Endes der Kette vom Kettenrad in den Speicherraum.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigen:

Figur 1 eine Kristallziehanlage in schematischer Darstellung;

Figur 2 eine teilweise schematische Ansicht des Ziehkopfes der Anlage gemäß Figur 1; und

Figur 3 eine andere Ansicht eines Teils der Anordnung gemäß Figur 1. .

Eine Kristallziehanlage ist in Figur 1 schematisch dangestellt. Ein Ofen 1 erwärmt eine Schmelze 3 ,eines Einsatzproduktes aus gewünschtem Kristall, welches sich in einem Schmelztiegel 2 aus feuerfestem Material, üblicherweise Quarz wegen seiner Infrarotdurchlässigkeitseigenschaften eingeschlossen ist. Ein Kristall 4 wird aus der Schmelze 3 mittels eines Ziehkopfes 5 und einer Verbindung 6 gezogen. Ein Gehäuse 7 umgibt die gesamte Vorrichtung, um Verunreinigungen fernzuhalten und um unter Umständen eine hermetische Umhüllung zu bilden, die ein Vakuum oder eine inerte Atmosphäre aufrechterhält. Motoren 8 und 9 bewirken die Dreh-, und Ziehbewegungen des wachsenden Kristalls gegenüber der Schmelze 3. ■

Die Erfindung läßt sich am besten anhand der Figuren 2 und 3 erläutern, welche die wesentlichen Teile des Ziehkopfes und der Vorrichtung zeigen. Ein Gehäuse 10, das vorzugsweise aus durchsichtigem Material besteht, ist an beiden Enden durch eine Deckplatte 12 und eine Boden-

platte 14 verschlossen, um die Ziehkopfumhüllung zu bilden. Dichtungen 12' und 14' sind aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich als ebene Dichtungen dargestellt. Die Bodenplatte 14 steht über einen Führungsstopfen .15 mit der Vertikalsäule 16 der gesamten Kristallziehanlage in Verbindung. Der von einer nicht dargestellten Schmelze gezogene, wachsende Kristall 18 wird von einem Kernhalter 20 gehalten, der an einer Kugelkette 22 hängt. Die Kugelkette 22 besteht aus einer Vielzahl von Hohlkugeln, die untereinander durch Stangen oder durch rohrartige, hanteiförmige Abschnitte locker verbunden sind. Die Kugelkette 22- greift in ein Kettenrad 24 und ihr ungespanntes oder freies Ende läuft von dem Kettenrad 24 in einen Sammelbehälter 26 oder in einen anderen, unabgeschlossenen Teil der Hülle in der Nähe des Kettenrades 24. Das Kettenrad 24 besteht aus einem zylindrischen Abschnitt, dessen gekrümmte Fläche Taschen in einer derartigen Form aufweist, daß in diese die Verbindungen der Kugelkette 22 einlegbar sind, um eine genügende Umschlingung des Kettenrades 24 für das Halten des Gewichts des wachsenden Kristalls 18 zu bewährleisten. Eine Freilaufscheibe 28 drückt das freie Ende der Kugelkette 22 an das Kettenrad 24. Ein Schaltarm 29 stellt das Ende der Kette fest. Dadurch wird sichergestellt, daß die gewünschte Zufuhr von freier Kugelkette 22 zum Kernhalter 20 erfolgt.

Der gesamte Ziehkopf ist durch ein Lager 32 um eine Vertikalachse 30 drehbar. Ein feststehender Motor 34 treibt den gesamten Ziehkopf über Motorscheiben 35, Riemen 36 und Kopfscheiben 37. Eine senkrechte Ziehkraft wird von einem Motor 38 über eine in Figur 3 schematisch dargestellte Übertragungskette ,zur Verfügung gestellt. Diese Übertragung ist an sich bekannt und reduziert die Drehung der Kettenradwelle 40 auf eine Drehgeschwindigkeit, die im gewünschten Bereich von etwa 0,1 bis 1,5 Umdrehungen je Stunde liegt. Eine weitere Einstellung der Ziehgeschwindigkeit wird ' durch die Wahl des Durchmessers für das Kettenrad 24 erhalten. Diese Geschwindigkeit wird ausgewählt, um einen Umfang von etwa 25 cm zu erhalten. Die Geschwindigkeitsuntersetzung führt bei derartigen Kettenraddurchmessern zu vertikalen Ziehgeschwindigkeiten im Bereich von 2,5 - 37,5 cm je Stunde. Es wird also ein Drehmoment zu einer Welle 42 auf einer vertikalen Übertragungsachse 42' durch eine Zwischengetriebe 44 übertragen. Das Zwischengetriebe 44 ist ein Untersetzungsgetriebe. Die vertikale Welle 42 besteht aus zwei Teilen mit Kupplungen 45 zur einfachen Entfernung der Deckplatte 12, um Zugriff zu der Vorrichtung zu haben, wenn größere Wartungen erforderlich sein sollten. Ein Winkeltrieb 46, beispielsweise eine Schnecke 46 mit Schneckenrad liefert eine weitere Drehzahluntersetzung und dient zur Drehmomentenübertragung an die Kettenradwelle 40.

Während bei dem bekannten Wandertrommel-Ziehkopf eine Kette fester Länge verwendet wurde, wird gemäß Erfindung eine Kette variabler Länge verwendet. Die überschüssige Kette wird im Sammelbehälter 26 gespeichert und gestattet ein häufiges Abziehen eines Teils der Kette in der Nähe des Kristallkernhalters. Da die Festigkeit der Kette 22 durch andauernde Aussetzung von hohen Temperaturen in diesem Bereich abnimmt, wird die Wahrscheinlichkeit eines Kettenbruches dadurch minimal gehalten, indem regelmäßig ein Teil der derart der Wärmestrahlung ausgesetzten Kette 22 vor dem Beginn eines neuen Kristallwachstums entfernt wird. Die übei— schüssige Kette 22 gestattet diesen Routineaustauschen. Ein Kettenbruch ist natürlich ein äußerst schwerwiegender Fehler, der zum Verlust des mit hohem Aufwand gezogenen Kristalls 18 führt und häufig auch den Schmelztiegel 2 und die Heißzonenbauteile zerstört und außerdem einen wesentlichen Zeitaufwand zur Wiederherstellung der Vorrichtung erfordert.

Ein sorgfältiges Programm von vorbeugender Wartung ist notwendig, um einen fehlerfreien Betrieb der Vorrichtung zu gewährleisten. Ein zentraler Punkt dieses Programms stellt der Austausch der Kette zu den entsprechenden Zeiten dar. Zur Erleichterung dieses Austausches ist in der Deckplatte 12 eine Öffnung 50 vorgese-

hen. Diese Öffnung 50 fluchtet mit der Ebene des Kettenrades 24. Ein Flansch 52 ist zur vakuumdichten Verbindung eines rohrförmigen Teils 54 mit der Deckplatte 52 angepaßt. In den schematischen Zeichnungen sind zwar keine Vakuumdichtungen dargestellt, diese sind jedoch bekannt und brauchen nicht näher erläutert zu werden. Eine Befestigung 56 ist an das rohrförmige Teil 54 angelötet oder auf andere Weise hermetisch mit dem Ende des rohrförmigen Teils 54 verbunden, um zusammen mit einer nicht dargestellten Dichtkappe eine dichtende Abdeckung zu schaffen, wenn der Kristallziehkopf evakuiert wird.

Das Wiedereinsetzen der Kette ist in verschiedener Hinsicht vereinfacht. Zunächst ist es überflüssig, die Vakuumdichtung 12' durch Öffnen der Ziehkopf-Deckplatte 12 zu beeinflussen. Vielmehr wird neue Kette 22 durch das rohrförmige Teil 54 nach der Entfernung des Dichtungsstopfens geleitet. Die neue Kette 2 wird durch die Öffnung 50 bis zur Berührung mit dem Kettenrad 24 geführt. Darauf wird das Kettenrad 24 in seinem "Heben"-Zustand betätigt, um Kette 22 in den Sammelbehälter 26 oder in eine ähnliches Gefäß einzubringen. Wenn das Kettenende auf dem Kettenrad 24 ruht, dann wird dessen Antrieb umgesteuert, so daß es sich in .

seinem "Senken"-Zustand dreht und die Kette 22 wird durch den inneren Führungsstopfen 15 zur Befestigung des Kernhalters geführt, um ein neues Kristallwachstum einzuleiten .

25 HU/wo

Claims

UEXKÜLL & STOLBERG european patent attorneys

PATENTANWÄLTE

BESELERSTRASSE 4

D-2000 HAMBURG 52 DR. J.-D. FRHR. von UEXKULL

DR. ULRICH GRAF STOLBERG DIPL. ING. JÜRGEN SUCHANTKE DIPL-ING. ARNULF HUBER
DR. ALLARD von KAMEKE
DR. KARL-HEINZ SCHULMEYER

Ferrofluidics Corporation (Prio.: 2. September 1980 Nashua, US 183 540 - 17951/HU/wo)

40 Simon Street,
New Hampshire 03061,

V.St.v.A. August 1981

Kristallziehvorrichtung

Patentansprüche

Vorrichtung zum Ziehen eines Kristalls aus einer Schmelze, gekennzeichnet durch:

- einen Schmelztiegel (2) für die Aufnahme von heißer Schmelze (3);

- einen Ziehkopf (5) zum Ziehen eines geimpften Kristalls aus der Schmelze (3);

- Antriebseinrichtungen zur Erzeugung einer Drehbewegung des aus der Schmelze (3) gezogenen Kristalls (4) um dessen Vertikalachse (30); und

- ein Gehäuse (10) zum versiegelten, verunreinigungsfreien Einschließen, der wesentlichen Vorrichtungsteile einschließlich des Ziehkopfs (5), wobei der Ziehkopf folgende Teile aufweist:

- einen Kernhalter (20) zum Erfassen eines geimpften und aus der Schmelze (3) gezogenen Kristalls;

- eine Kette (22), an deren einem Ende der entlang der Vertikalchse (30) bewegbare Kernhalter (20) hängt und die ein anderes, freies Ende sowie

^q eine Vielzahl von flexibel gekoppelten Kettenver

bindern aufweist;

- Aufnahmeeinrichtungen, die mit der Kette (22) zusammenwirken und zur Bewegung des geimpften Kristalls entlang der Vertikalachse (30) dienen,

^₅ wobei diese Aufnahmeeinrichtungen ein Ketten

rad (24) mit derart über seinen Umfang verteilten Zähnen aufweisen, daß diese in Kettenverbinder eingreifen und wobei das Kettenrad (24) so angeordnet ist, daß es eine mit der Vertikalachse (30) fluchtende, senkrechte Tangente besitzt;

- Einrichtungen zum Drehen des Kettenrades (24) für die Bewegung der Kette (22) entlang der Vertikalachse (30);

- einen Behälter (26) für die Aufnahme des freien Endes der vom Kettenrad (24) aufgenommenen und

abgegebenen, ungespannten Kette (22);

- wobei das Gehäuse (10) den Ziehkopf (5) einschließt und eine über dem Kettenrad (24) liegende Deckplatte (12) mit einen Öffnung (50) aufweist, die mit der Ebene des Kettenrades (24) in vertikaler Richtungen fluchtet; und

- Dichtungen (56) zum hermetischen Verschließen der Öffnung (50), so daß die Kette (22) ohne Entfernung der Abdeckplatte (12) und ohne Eindringen in die abgedichtete Umgebung des Zieh- kopfs (5) dadurch austauschbar ist, daß neue Ket

te (22) durch die Öffnung (50) dem Kettenrad (24) zuführbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Öffnung (50) ein Rohr (54) angeschlossen ist, das zum Nachstecken von Kette (22) zum Kettenrad (24) dient.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich— net, daß das Rohr (54) an einem Ende einen Dichtungsstopfen (56) aufweist, wodurch der Ziehkopf (5) vor und nach dem Einsetzen von Kette (22) hermetisch abgedichtet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kette (22) eine Kugelkette aus im

wesentlichen gleichförmigen, untereinander verkoppelten Kugeln ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kettenrad (24) einen zylindrischen Abschnitt mit einer Vielzahl von konkaven Taschen in seiner Oberfläche aufweist, wobei die Taschen den Verbindungsteilen der Kette (22) entsprechen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (50) unmittelbar oberhalb und mittig zur Achse des Kettenrades (24) in dessen Ebene angeordnet ist.