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Kernforschungsanlage Jülich --
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Verfahren zur Herstellung eines kristallinen Körpers aus der Schmelze
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines kristallinen
Körpers aus der Schmelze, bei dem Schmelze (bzw. Tiegel oder Vorratsstab) und kristalliner
Körper eine solche Relativbewegung zueinander ausführen, daß bei aus der Schmelze
gezogenem kristallinem Körper eine zweidimensionale Durchmischung der Schmelze bewirkt
wird.
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Ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art ist - soweit es das Tiegelschmelzverfahren
nach Czochralski betrifft - aus der DE-OS 16 44 020 bekannt. Die zweidimensionale
Durchmischung der Schmelze soll dabei dazu dienen, neben einer verbesserten Kristallqualität
eine vergleichsweise gleichmäßige radiale Widerstandsverteilung über den gesamten
Querschnitt des stabförmigen kristallinen Körpers zu erzielen, wobei die zweidimensionale
Durchmischung eine homogenere Verteilung der Dotierungsstoffe auf das Schmelzvolumen
bewirken soll.
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Die Durchführung des bekannten Verfahrens wird mit üblichen Antriebsmitteln
bewerkstelligt, wobei eine hyperzykloide Bahn des Keimlings dadurch erzeugt wird,
daß sich sowohl der Tiegel als auch die Halterung des kristallinen Körpers
jeweils
um ihre eigenen, räumlich nicht zusammenfallenden Achsen drehen und der kristalline
Körper exzentrisch an der Halterung befestigt ist. Schon bei diesen einfachen Drehbewegungen
von Tiegel und Halterung, die in üblicher Weise mittels elektromotorischen Antrieben
und daher über Achsen, Getriebe bzw. Gestänge übertragen werden müssen, kann jedoch
nicht verhindert werden, daß von außen kommende Störungen (Schwingungen, Stöße)
auf Tiegel und kristallinen Körper übertragen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, bei dem der
kristalline Körper, der Tiegel und/oder - bei Durchführung des tiegellosen Zonenschmelzverfahrens
- der Vorratsstab außer in einfache Drehbewegungen oder in eine von der Ausgangslage
abweichende Lage auch in vorbestimmte Relativbewegungen zueinander versetzt werden
können, ohne daß die vorgenannten Nachteile in Kauf genommen werden müssen. Dabei
sollen auch komplexe Bewegungsabläufe nicht nur im Zusammenspiel zwischen Tiegel
und kristallinem Körper oder kristallinen Körper und Vorratsstab, sondern auch durch
Bewegung des kristallinen Körpers, des Tiegels oder des Vorratsstabes allein möglich
sein. Das Verfahren soll sowohl hyperzykloide, epizykloide als auch andere komplexe
Bewegungsabläufe ermöglichen.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird bei einem Verfahren
der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, daß eine Vorrichtung zum
tiegellosen
Zonenschmelzen und/oder zum Ziehen aus einem Tiegel mit einer Stab- und Tiegelhalterung
verwendet wird, an der ein mittels eines Magneten (Axialstabilisierungsmagnet) aufgehängter
magnetisierbarer Kern angebracht ist, wobei an dem Magneten eine Einrichtung zur
axialen Verschiebung angreift und bei der wenigstens eine Radialstabilisierungseinrichtung
für den magnetisierbaren Kern vorgesehen ist, die aus den magnetisierbaren Kern
berührungslos umschließenden Elektromagneten einem elektronischen Regelgerät und
Positionssensoren besteht, wobei die Elektromagnete vom elektronischen Regelgerät
mit Signalen beaufschlagt werden, die von diesem als Funktion der Signale der Positionssensoren,
welche auf die Abweichungen des magnetisierbaren Kerns von seiner Sollage ansprechen,
erzeugt werden, und daß zur radialen Verlagerung des magnetisierbaren Kerns und/oder
zur Erzeugung von periodischen Schwingungsbewegungen des magnetisierbaren Kerns
und/oder von Drehbewegungen desselben statische und/oder sich periodisch ändernde
Wechsel- oder Drehströme in die Elektromagnete der Radialstabilisierungseinrichtung
eingespeist werden.
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Bei der verwendeten Vorrichtung wird durch die berührungslose Fixierung
des magnetisierbaren Kerns in der axialen Lage - abgesehen von der reibungslosen
axialen Verschiebung - erreicht, daß der magnetisierbare Kern und der an der Halterung
befestigte kristalline Körper und/oder der Tiegel oder der Vorratsstabteil frei
von Erschütterungen und Schwingungen bleibt.
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Die Radialstabilisierungseinrichtung bewirkt, daß der magnetisierbare
Kern auch bei einer axialen Verschiebung in der radialen Sollage bleibt, er wird
somit durch die Magnetkräfte in axialer Richtung geführt. Einer weiteren Führung
des magnetisierbaren Kerns, wie dies beispielsweise bei der aus der De-PS 23 06
755 bekannten Vorrichtung durch die Behälterinnenwand im Bereich des ferromagnetischen
Kerns geschieht, bedarf es daher bei der verwendeten Vorrichtung nicht, ebensowenig,
wie es eines den kristallinen Körper einschließenden Behälters bedarf. Die verwendete
Vorrichtung ist daher bei Kristallzuchtapparaturen sowohl mit als auch ohne einen
den kristallinen Körper einschließenden Behälter einsetzbar Für den Fall, daß ein
den sich bildenden kristallinen Körper einschließender Behälter oder eine Kammer
(beispielsweise eine hochdichte Druckkammer) vorgesehen ist, muß die Wandung des
Behälters oder der Kammer allerdings in dem den magnetisierbaren Kern umfassenden
Bereich aus nichtmagnetisierbarem Material bestehen. Gleitende Dichtungen und sonstige
Dichtungen im Bereich der Behälterwandung, wie sie insbesondere bei einer mechanischen
radialen Führung bzw. einer mechanischen Einrichtung zur axialen Verschiebung der
Halterung notwendig wären, entfallen. Die verwendete Vorrichtung eignet sich daher
in besonderem Maße für Zuchtprozesse, bei denen die in der Kammer befindliche Atmosphäre
höchsten Reinheitsansprüchen genügen muß.
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Bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung werden durch
gezielte Überlagerung von elektromagnetisch
erzeugten statischen
und dynamischen Feldern die zusätzlichen Bewegungen des magnetisierbaren Kerns erzeugt.
Asymmetrische Änderungen der radialen Felder bewirken dabei radiale Körperverlagerungen,
periodisch einseitige Feldänderungen erzeugen oszillierende Bewegungen, periodisch
asymmetrische Drehfelder verursachen Rotation der Körperachse. Durch Überlagerung
dieser Verschiebungen und Bewegungen mit der Rotation des Körpers um seine Achse
können sehr komplexe Bewegungsvorgänge in der Schmelzzone erzeugt werden, so auch
epi- oder hypozyklische Bewegungen. Auch ist es möglich, axiale Oszillationsbewegungen
des magnetisierbaren Kerns zu erhalten.
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Selbstverständlich kann eine radiale Verschiebung der Achse des kristallinen
Körpers (bzw. des magnetisierbaren Kerns und der entsprechenden Halterung) auch
dadurch erreicht werden, daß die außen liegenden elektromagnetischen Elemente der
Radialstabilisierungseinrichtung mechanisch radial verlagert werden.
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Die radiale Verlagerung des magnetisierbaren Kerns bei der Durchführung
des Verfahrens gemäß der Erfindung erfolgt unabhängig davon, ob der magnetisierbare
Kern den kristallinen Körper, den Tiegel oder den Vorratsstab hält.
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Die in die Elektromagnete einzuspeisenden Wechsel-oder Drehströme
können beispielsweise direkt als elektrische Störgrößen den Signalen, mit welchen
die Elektromagnete vom elektronischen Regelgerät beaufschlagt werden, überlagert
werden. Diese gestörten Signale führen über die Elektromagnete zu einer Abweichung
des magnetisierbaren Kerns von der Sollage.
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Zwar wird das Regelgerät versuchen, den magnetisierbaren Kern wieder
in die Sollage zu bringen. Jedoch wird bei bleibender Störung, d.h. bei weiterhin
in die Elektromagnete eingespeisten Störsignalen und bei geeignetem Regler, z.B.
bei PD-Regler, eine bleibende Abweichung von der Sollage resultieren. Bei geeigneter
Wahl der Störsignale entspricht dann die bleibende Abweichung dem gewünschten Bewegungsablauf
des magnetisierbaren Kerns.
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Als vorteilhaft hat sich eine Ausführungsvariante des Verfahrens gemäß
der Erfindung erwiesen, die darin besteht, daß zur Erzeugung des vorbestimmten Bewegungsablaufs
des magnetisierbaren Kerns die statischen und/oder sich periodisch verändernden
Wechsel-oder Drehströme dadurch erzeugt werden, daß Führungssignale in das oder
die Regelgeräte eingegeben werden, die der gewünschten statischen oder zeitlich
veränderten Sollage (bzw. dem gewünschten Bewegungsablauf) des magnetisierbaren
Kerns entsprechen. Damit wird dem Regelgerät, das die Aufgabe hat, den magnetisierbaren
Kern in seine Sollage einzuregeln, eine dem gewünschten Bewegungsablauf entsprechende
zeitliche Sollage vorgegeben. Das Regelgerät wird - je nach Art der zeitlichen Veränderung
der vorgegebenen Sollage und nach Art des Reglers - den magnetisierbaren Kern direkt
oder mit zeitlicher Verzögerung in die gewünschte Sollage bringen, wodurch der gewünschte
Bewegungsablauf entsteht. Dabei kann die nunmehr vorgegebene Sollage von der ursprünglichen
Sollage statisch abweichen, einer Sprungfunktion oder einer Sinusfunktion oder auch
einer sonstwie gearteten Funktion folgen. Sind dabei sowohl der kristalline Körper
als
auch der Tiegel oder der kristalline und der Vorratsstab magnetisch radial stabilisiert,
so können durch Überlagerung von Bewegungen dieser Elemente beliebige komplexe Bewegungen
- schon bei einfachen Radialstabilisierungseinrichtungen - erzeugt werden.
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Eine solche Stabilisierungseinrichtung besteht in der Regel aus zwei
Sensoren- und Elektromagnetenpaaren, wovon zwei Sensoren mit je einem Regelgerät
gekoppelt sind. Die jeweils einander zugeordneten Sensoren liegen auf entgegengesetzten
Seiten des magnetisierbaren Kerns einander gegenüber. Die Verbindungslinien der
einander jeweils zugeordneten Sensoren stehen senkrecht aufeinander.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsart des Verfahrens gemäß der Erfindung
werden den Regelgeräten Führungssignale gleicher Frequenz eingegeben, die sich von
Regelgerät zu Regelgerät in ihrer Amplitude und/oder in ihrer Phase unterscheiden.
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Dadurch werden Bewegungen des magnetisierbaren Kerns erzeugt, bei
der der Achsenpunkt des Kerns in der Ebene der Radialstabilisierungseinrichtung
eine Elipse mit feststehenden Achsen beschreibt. Wie leicht einzusehen ist, können
auf diese Weise auch rein kreisförmige Bewegungen (Phasenwinkel 90 °, gleiche Amplituden)
oder rein translatorische Bewegungen (z.B. Phasenwinkel 0 0) erzeugt werden.
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Es kann ferner zweckmäßig sein, den Regelgeräten zeitlich sich ändernde
Führungssignale einzugeben.
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Werden beispielsweise die Frequenz nur eines der Führungssignale (bei
gleichbleibenden Amplituden der Führungssignale) verändert, so werden Bewegungen
erzeugt, bei denen der Achsen
punkt des magnetisierbaren Kerns
in der Ebene einer einfachen Radialstabilisierungseinrichtuno die bekannten Lissajou-Figuren
für Schwebungen beschreibt.
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Durch Eingabe von Führungssignalen, bei denen auch die weiteren Bewegungsparameter
verändert werden, können ohne weiteres komplexe Bewegungen erzeugt werden.
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Bei in übereinanderliegenden Ebenen angeordneten Radialstabilisierungseinrichtungen
ergeben sich weitere Möglichkeiten für komplexe Bewegungen des magnetisierbaren
Kerns: Werden die Regelgeräte der beiden Radialstabilisierungseinrichtungen mit
den gleichen Führungssignalen beaufschlagt, dann führt der magnetisierbare Kern
Bewegungen aus, ohne dabei von seiner vertikalen Lage abzuweichen. Werden die Regelgeräte
dagegen mit unterschiedlichen Führungssignalen beaufschlagt, so führt der magnetisierbare
Kern Taumelbewegungen aus, was zu komplexen Bewegungen des am magnetisierbaren Kern
hängenden Elementes (kristalliner Körper, Tiegel, Vorratsstab) führt.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung bietet somit die Möglichkeit, eine
Vielzahl von Bewegungsabläufen des kristallinen Körpers, des Tiegels oder des Vorratsstabs
störungsfrei und reproduzierbar einzustellen.
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Bei Verwendung einer Kraftmeßeinrichtung, die direkt unterhalb des
Axialstabilisierungsmagneten oder des Linearmotors, aber auch unterhalb des gesamten,
beispielsweise den Linearmotor und die Elektromagnete der Radialstabilisierungseinrichtung
umfassenden hohlzylindrischen Stators angeordnet sein kann, bietet sich außerdem
die Möglichkeit, die Gewichtszunahme des wachsenden kristallinen Körpers genau zu
verfolgen und für eine Kontrolle des Kristallwachstu;ms nutzbar zu machen. Vor allem
dann, wenn eine den kristallinen
Körper umgebende Zuchtkammer vorgesehen
ist, können praktisch alle bekannten, den Zuchtprozeß beeinflussenden Parameter
gleichzeitig eingestellt und unabhängig voneinander variiert werden. Das Verfahren
gemäß der Erfindung eignet sich in Verbindung mit der zu verwendenden Vorrichtung
nicht nur zur Optimierung der Kristallzuchtvorgänge, sondern es kann eingesetzt
werden bei der Erforschung von Kristallzuchtvorgängen selbst und zur Zucht neuer
Kristallgruppen auch unter Kombination von Kristallzucht und Kristalldostierung.
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Bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird zweckmäßigerweise
eine Ausführungsform der Vorrichtung verwendet, bei der die Radialstabilisierungseinrichtung
ringförmig ausgebildet ist und den magnetisierbaren Kern, zwischen diesem und sich
einen Ringspalt bildend, umschließt. Dabei kann auch zweckmäßig sein, daß die Elektromagnete
der Radialstabilisierungseinrichtung mit einer im Ringspalt im wesentlichen radial
gerichteten Vormagnetisierung versehen sind. Zur Vormagnetisierung können dabei
Permanentmagnete vorgesehen sein.
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Bei dieser Ausführungsform der Vorrichtung ist ohne weiteres ein Ring
spalt mit einer Spaltbreite von mehr als 13 mm realisierbar. Dieser Ringspalt bietet
genügend Raum für eine Bewegung des magnetisierbaren Kerns.
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Zur axialen Verschiebung des magnetisierbaren Kerns kann der Axialstabilisierungsmagnet
so angeordnet sein, daß er sich unmittelbar oberhalb der Elektromagnete
der
Stabilisierungseinrichtung befindet, so daß sein Magnetfeld den Ringspalt zwischen
Elektromagneten und magnetisierbarem Kern im wesentlichen radial durchsetzt und
die Vormagnetisierung bewirkt.
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Die zur Verschiebung in axialer Richtung erforderliche Bewegung des
Axialstabilisierungsmagneten kann dadurch erzeugt werden, daß der Axialstabilisierungsmagnet
an einem Befestigungsrahmen - der Einrichtung zur Aufhängung der Halterung und deren
axialen Verschiebung - angebracht ist, der separat in axialer Richtung verschiebbar
ist. Bei einer besonders eleganten Ausführungsform der verwendeten Vorrichtung besteht
die Einrichtung zur axialen Verschiebung des magnete tisierbaren Kerns dagegen aus
einem elektromagnetischen Linearmotor, der aus einem hohlzylindrischen Stator und
dem magnetisierbaren Kern als Antriebselement besteht. Die axiale Verschiebung erfolgt
dabei allein über magnetische Feldkräfte. Mechanisch bewegbare Teile sind dabei
nicht vorgesehen.
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Eine weitere, für die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung
zweckmäßige Ausführungsform der verwendeten Vorrichtung besteht ferner darin, daß
ein ringförmiger Drehfeldstator mit einem zwischen sich und dem magnetisierbaren
Kern gebildeten Ringspalt vorgesehen ist. Der axialen Verschiebung des magnetisierbaren
Kerns kann so mittels des Drehfeldstators eine Drehbewegung überlagert werden, falls
diese aus qualitativen Gründen bei der Herstellung des kristallinen Körpers erwünscht
ist.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der bei der Durchführung
des Verfahrens gemäß der Erfindung
verwendeten Vorrichtung dargestellt.
Sie werden im folgenden näher erläutert. Dabei wird auch das Verfahren gemäß der
Erfindung anhand eines der Ausführungsbeispiele der Vorrichtung näher beschrieben.
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Es zeigen: Figur 1 eine einfache Ausführungsform einer Vorrichtung
zur Durchführung des Tiegelschmelzverfahrens mit magnetisch aufgehängtem und in
axialer Richtung verschiebbarem Kristall, Figur la die Ausführungsform der Vorrichtung
gemäß Figur 1 mit zusätzlichen Bauelementen zur Durchführung des Verfahrens, Figur
Ib ein teilweiser Querschnitt längs der Linie A/A, der in Figur a dargestellten
Vorrichtung, Figur 2 eine einfache Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung
des Tiegelschmelzverfahrens mit magnetisch aufgehängtem und in axialer Richtung
verschiebbarem Schmelztiegel, Figur 3 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur
Durchführung des Tiegelschmelzverfahrens mit Zuchtkammer, Linearmotor zur axialen
Fixierung und Verschiebung der Halterung des Kristalls sowie mit einer Kraftmeßeinrichtung
zur Messung der Gewichtsänderung des Kristalls,
Figur 4 eine weitere
Ausführungsform der Vorrichtung, Figur 5 eine Ausführungsform einer Vorrichtung
zur Durchführung des Zonenschmelzverfahrens.
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Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung weist einen Schmelztiegel
1 mit einer Widerstandsheizung 2 für den Schmelztiegel auf. Der Schmelztiegel steht
auf dem mit der festen Unterlage 3 verbundenen Befestigungsrahmen 4 für die Radialstabilisierungseinrichtungen.
Auch der Befestigungsrahmen 5 mit der in der Höhe verstellbaren Halteplatte 6 für
den Elektromagneten 7 ist an der festen Unterlage 3 angebracht.
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Die Vorrichtung weist ferner eine Befestigung 8 für den Kristall 9
auf, an der der magnetisierbare Kern 10 befestigt ist. Dieser besteht in seinem
unteren Teil aus einem langgestreckten Hohlzylinder 10a aus nichtrostendem, magnetisierbarem
Stahl und einem darüber angeordneten zylindrischen Permanentmagneten lOb.
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Der Elektromagnet 7 ist in einer solchen Höhe angeordnet, daß er den
Permanentmagneten lOb des magnetisierbaren Kerns in Arbeitsstellung umfaßt, so daß
dieser - bei angeschaltetem Elektromagnet - in axialer Richtung fixiert wird. Die
Höhenverschiebung der Halteplatte 6 kann mittels eines in der Zeichnung nicht dargestellten
Spindelantriebs oder eines hydraulischen Zylinders erfolgen. Die zwei am Gestellrahmen
4 befestigten Aadialstabilisierungseinrichtungen bestehen aus je vier Spulen 11
mit ferromagnetischem Kern 12, die jeweils paarweise einander gegenüberliegen und
von denen nur die beiden in der Zeichnungsebene liegenden dargestellt sind und die
jeweils paarweise mit elektronischen Regelgeräten 13 in elektrischer Verbindung
stehen
und von diesen mit einem Gleichstrom beaufschlagt werden, dessen Höhe von den Meßsignalen
abhängig ist, die von induktiven Sensoren 14 ausgehen und den Regelgeräten 13 zugeleitet
werden, Dabei werden die von den induktiven Sensoren an die Regelgeräte 13 geleiteten
Meßsignale verstärkt und in ihrer Phase verschoben als Ausgangssignale in Form eines
geregelten Gleichstromes an die Spulen 11 abgegeben.
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Bei der Herstellung des Kristalls 9 wird dieser aus der Schmelze 15
gezogen. Hierzu wird der eingeschaltete Elektromagnet 7, an dem der magnetisierbare
Kern 10 mit Befestigung 8 und dem daran befestigten Kristall 9 aufgehängt ist, in
axialer Richtung verschoben.
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Figur la zeigt die Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Figur 1 mit
zusätzlichen Bauelementen in der unteren, in der Höhe der Linie A/A befindlichen
Radialstabilisierungseinrichtung. Diese zusätzlichen Bauelemente dienen der Durchführung
zweier unterschiedlicher Ausführungsvarianten des Verfahrens gemäß der Erfindung.
Bei der Verfahrensvariante 1 werden die in die Elektromagnete einzuspeisenden Wechsel-
oder Dreh ströme direkt als elektrische Störgrößen den Signalen, mit welchen die
Elektromagnete 11 vom elektronischen Regelgerät 13 beaufschlagt werden, überlagert.
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Zur Durchführung dieser Verfahrensvariante 1 werden der Generator
35 und die Trenneinrichtung 36 (die in unterbrochenen Linien dargestellt sind) benötigt.
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Bei der Verfahrensvariante 2 werden die statischen und/oder sich periodisch
ändernden Wechsel- oder Drehströme dadurch erzeugt, daß Führungssignale in das oder
die Regelgeräte 13 eingegeben we.en, die der gewünschten
statischen
oder zeitlich veränderten Sollage (bzw. dem gewünschten Bewegungsablauf) des magnetisierbaren
Kerns 10 entsprechen. Hierzu wird beispielsweise der in Figur la dargestellte Generator
34 benötigt.
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Das Bauelement 34 und die Bauelemente 35 und 36 werden somit für unterschiedliche
Verfahrensweisen eingesetzt Sie sind lediglich als mögliche Alternativen in der
Figur la gemeinsam dargestellt.
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Bei der genannten Verfahrensvariante 1 werden vom Generator 35 kommende
Störsignale über die Trenneinrichtung 36 zu dem Elektromagneten 11 geleitet, was
zu einer Abweichung des magnetisierbaren Kerns 10 von seiner Sollage führt. Zwar
meldet daraufhin der Sensor 14 die Abweichung des Kerns von der Sollage, und der
Regler 13 versucht den magnetisierbaren Kern wieder auf die Sollage zurückzuführen.
Bei bleibendem, über die Trenneinrichtung 36 gegebenem Störsignal resultiert jedoch
z.B. bei Verwendung eines PD-Reglers eine bleibende Abweichung, die bei geeignetem
Störsignal dem gewünschten Bewegungsablauf des magnetisierbaren Kerns 10 entspricht.
Ein weiteres Störsignal kann selbstverständlich auf die gleiche Weise in einen der
oder in die in der Zeichnungsebene nicht darstellbaren weiteren Elektromagnete dieser
unteren Radialstabilisierungseinrichtung eingegeben werden.
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Die Verfahrensvariante 2 wird im folgenden anhand der Darstellung
in Figur 1b erläutert: Vom Sinus-Kosinus-Generator 34 werden den Reglern 13a der
beiden Regelgeräte 13' und 13'' Sìnus- bzw. Kosinusschwingungen als veränderliche
Sollwerte eingegeben, wobei als Sollwert die Abweichung vom ursprünglichen Sollwert,
d.h.
der Lage des magnetisierbaren Kerns 10 ohne Radialverlagerung verstanden wird. Hierzu
wird dem Regelgerät 13' das Führungssignal 41 für die Lage des magnetisierbaren
Kerns 10 in der Y-Richtung und dem Regelgerät 13'' das Führungssignal 42 für die
Lage des Kerns in X-Richtung eingegeben. Bei den aus der Zeichnung ersichtlichen
Anfangswerten der Führungssignale ergibt sich dabei die dargestellte Lage des magnetisierbaren
Kerns in der Schnittebene A/A, bei der sein Achsenpunkt 38 um +Y von dem Punkt 37
der zentralen Achse der Vorrichtung abweicht. Die Abweichung in X-Richtung ist in
diesem Moment gleich Null. Im weiteren Verlauf der Führungssignale 41 und 42 beschreibt
der Punkt 38 der Achse des Kerns die Kreisbahn 39 um den Achsenpunkt 37 der Vorrichtung
mit der Bewegungsrichtung 40.
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Bleibt die Eingabe eines veränderlichen Sollwertes auf die untere
Radialstabilisierungseinrichtung beschränkt, dann beschreibt der magnetisierbare
Kern beim angegebenen Beispiel eine kreisförmige Pendelbewegung, wobei der ruhende
Punkt der Achse des magnetisierbaren Kerns im Bereich der oberen Radialstabilisierungseinrichtung
(s. Figur la) liegt.
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Wird dem Regler 13' anstelle des Führungssignals 42 das Führungssignal
43 eingegeben, dann beschreibt der magnetisierbare Kern 10 eine kreisförmige Pendelbewegung
mit der umgekehrten Bewegungsrichtung 44.
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Eine radiale Verlagerung des magnetisierbaren Kerns kann selbstverständlich
auch im Bereich der oberen Radialstabilisierungseinrichtung vorgenommen werden.
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Außerdem kann auch der Tiegel (wie in Figur 2 dargestellt) magnetisch
aufgehängt sein und einem vorgegebenen
Bewegungsablauf unterworfen
werden. Werden derartige Bewegungsabläufe einander überlagert, so können, zumal
auch andere von der Sinusfunktion abweichende Führungssignale eingegeben werden
können, beliebige komplexe Relativbewegungen zwischen kristallinem Körper und der
Schmelze erzeugt werden.
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Bei der in Figur 2 dargestellten Vorrichtung ist - anders als bei
der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung - nicht der Kristall, sondern der Tiegel
magnetisch aufgehängt. Hierzu ist unterhalb des Tiegels 1 der magnetisierbare Kern
10 angebracht, der in Arbeitsstellung an seinem oberen Ende von einem ringförmigen,
als Axialstabilisierungsmagnet wirkenden Permanentmagneten 16 umfaßt wird. Unterhalb
des Permanentmagneten befindet sich Ringspule 17a mit ferromagnetischem Kern 18a,
die mit dem Regelgerät 13a und Feldplatten 14a in elektrischer Verbindung stehen.
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Der Permanentmagnet bewirkt eine radial gerichtete Vormagnetisierung
im Ringspalt 19. Eine weitere Radialstabilisierungseinrichtung, bestehend aus Ringspule
17b, Kern 18b, Feldplatten 14b und Regelgerät 13b, befindet sich am unteren Ende
des magnetisierbaren Kerns 10.
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Die Ringspulen entsprechen im übrigen den in der DE-OS 24 20 814 gemachten
Angaben.
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Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform ist der Kristall
über die Befestigung 8 unbeweglich an einem festen Rahmen 20 befestigt. Permanentmagnet
16 und die Ringspulen 17 sind an einem gemeinsamen, in der Höhe verstellbaren Gestellrahmen
21 befestigt. Der Tiegel 1 kann so bei der Herstellung des Kristalls in axialer
Richtung verschoben werden.
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Die Heizeinrichtung für den Tiegel ist in Figur 2 und den folgenden
Figuren nicht dargestellt. Sie kann eine Widerstandsheizung oder beispielsweise
auch eine HF-Spule sein.
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Selbstverständlich können je nach Ausführungsform der Halterung sowohl
Tiegel als auch Kristall magnetisch aufgehängt sein.
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Bei der in Figur 3 dargestellten Vorrichtung ist ein nach außen abgekapselter
Zuchtraum vorgesehen, der durch den Behälter 22 gebildet wird. Dieser umschließt
den magnetisierbaren Kern 10, der, um eine hohe Betriebstemperatur zu ermöglichen,
aus
einer Stahllegierung mit hoher Curietemperatur besteht, wogegen sich die ringförmig
ausgebildeten elektromagnetischen Elemente der Radialstabilisierungseinrichtung
außerhalb des Behälters befinden. Die Behälterwandung befindet sich im Bereich der
Magnete im Ringspalt 19. Sie besteht zumindest in diesem Bereich aus nichtmagnetisierbarem
Material, beispielsweise aus Quarzglas oder aus einer nichtmagnetisierbaren Stahilegierung.
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Der ringförmig ausgebildete Linearmotor 23 umschließt den magnetisierbaren
Kern 10 in Arbeitsstellung an dessen oberem Ende.
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Er ist mit den beiden Radialstabilisierungseinrichtungen, bestehend
aus Spulen 11, ferromagnetischem Kern 12, Regelgerät 13 und induktiven Sensoren
14 und einem Dreheldstaor 24 mechanisch fest mit dem Lagerstator 25 verbunden. Am
unteren Ende des Lagerstators 25 ist, direkt auf der Unterlage 26 aufliegend, eine
Kraftmeßeinrichtung 27 angeordnet.
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Der Linearmotor 23 dient der axialen Fixierung des magnetisierbaren
Kerns 10 und ugleich zu dessen axialen Verschiebung, so daß die axiale Verschiebung
allein über magnetische Kräfte erfolgt und mechanische Mittel, wie Spindel u.dgl.,
entfallen.
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Der Linearmotor kann aus einem einfachen Tauchspulensystem bestehen,
wobei die stabile axiale Höhenlage des magnetisierbaren Kerns 10 eine Funktion des
Spulenstromes ist. Die Länge des magnetisierbaren Kerns 10 ist um die Hublänge über
die axialen Statorabmessungen hinaus verlängert, so daß alle Arbeitsfunktionen über
den gesamten Hubbereich gewährleistet sind.
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Der Drehfeldstator 24 übt auf den magnetisierbaren Kern 10 ein Drehmoment
aus, welches den Kern und damit den Kristall in Rotation um seine vertikale Achse
versetzt. Die benötigte Antriebsleistung ist sehr gering, da Lager und Dichtreibung
entfallen. Durch geeignete Materialauswahl und Formgebung des magnetisierbaren Kerns
im Antriebsbereich können sowohl Synchronmotoren, wie z.B. Reluktanz- und Hysteresemotoren
als auch Asychronmotren, wie Induktionsmotoren, in bekannter Weise angewendet werden.
Hysteresemotoren erfordern lediglich zylindrische, ringförmige Rotorelemente aus
magnetisierbarem Stahl.
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Aufgrund der geringen Antriebsleistung werden an die Hystereseeigenschaften
dieser Stähle keine hohen Anforderungen gestellt, so daß sie aus dem Material des
Kerns hergestellt werden können.
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Der magnetisierbare Kern kann folglich als durchgehender Stahlzylinder
gestaltet werden, der sowohl Lager- als Antriebsanforderungen genügt.
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Auf der Kraftmeßeinrichtung 27 ruht das Gewicht des außerhalb der
Schmelzkammer angeordneten Stators mit den daran befestigten Lager- und Antriebselementen
sowie das Gewicht des magnetisch an den Stator gekoppelten Ziehgestänges, bestehend
aus magnetisierbarem Kern 10, Befestigung 8 und dem Kristall 9. Eine Änderung des
Kristallgewichts wirkt sich ohne den Einfluß störender Reibungskräfte als Anderung
der auf die Kraftmeßeinrichtung einwirkenden Stützkraft aus. In einer bevorzugten
Ausführung besteht diese Einrichtung aus drei, an den Spitzen eines gleichseitigen
Dreiecks angeordneten Kraftmeßzellen. Durch gleichzeitige Addition der drei den
Stützkraftanteilen proportionalen elektrischen Ausgangssignalen werden unsymmetrische
und periodische, z.B. aus Taumelbewegungen und Unwuchten resultierende Störsignale
eliminiert.
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Da alle anderen durch den Ziehprozeß bedingten thermischen, korrosiven
und kammerdruckabhängigen Beeinflussungen der Meßergebnisse entfallen, mißt die
Kraftmeßeinrichtung die zeitliche Änderung
des Kristallgewichtes
mit höchster Genauigkeit und Stabilität.
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Unter Verwendung der Kraftmeßeinrichtung kann das Summensignal in
einem in der Zeichnung nicht dargestellten Durchmesserregelkreis in einem elektrischen
Komparator mit einem den gewünschten Durchmesserverlauf beschreibenden Sollwert
verglichen und das Differenzsignal einem Regler zugeführt werden, der in bekannter
Weise die Heizleistung oder die Transportgeschwindigkeit des Ziehgestänges in geeigneter
Weise nachstellt.
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Für den Fall, daß mit korrodierenden Stoffen in der Schmelzkammer
gearbeitet werden muß, kann der magnetisierbare Kern mit einem korrosionsresistenten
überzug aus Quarzglas oder Graphit versehen sein.
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Mittels der Stellschraube 28 kann der Stator 25 gegenüber der Unterlage
26 und dem Behälter 22 in radialer Richtung verschoben werden. Diese Justiereinrichtung
ermöglicht sowohl die Ausrichtung von Tiegel- und Kristallachse als auch die Festlegung
einer für den Zuchtprozeß erwünschten Exzentrizität zwischen den beiden Achsen.
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Bei der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform
der
Vorrichtung sind - ebenso wie bei der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform - die
Elektromagnete der Radialstabilisierungseinrichtung mit einer im Ringspalt 19 im
wesentlichen radial gerichteten Vormagnetisierung versehen. Hierzu sind die Ringspulen
17 der oberen Radialstabilisierungseinrichtung unterhalb des als Axialstabilisierungsmagnet
wirkenden Permanentmagneten 16 angeordnet. Eine solche externe Vormagnetisierung
könnte zwar auch elektromagnetisch erfolgen. Jedoch bietet die Verwendung des Permanentmagneten
16 besondere Vorteile. Denn dieser benötigt keine Leistung, arbeitet störungsfrei
und erzeugt durch seine ringförmige Gestalt eine definierte stabile zentrische Achsenlage,
bei der die auf den magnetisierbaren Kern einwirkenden stationären, radialen Magnetkräfte
gleich Null sind.
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Da die auf den magnetisierbaren Kern ausgeübten magnetischen FeldXrfte
mit dem Produkt aus Vormagnetisi'erungs- und ,Regelfeldstärke anwachsen, können
durch hohe permanente Vormagnetisjierungsfeldstärke große dynamische Stabilisierungskräfte
über große Ringspalte (< 13 mm) bei kleiner elektromagnetisch erzeugter Regelfeldstärke
erzeugt werden.
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Figur 5 zeigt die Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung
des Zonenschmelzverfahrens. Bei dieser Ausführungsform sind sowohl an der Befestigung
8 für den kristallinen Stab 9 als auch an der Befestigung 8a für den Vorratsstab
29 je ein magnetisierbarer Kern 10 angebracht.
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Die Zuchtkammer, in der sich die vorgenannten Vorrichtungsteile befinden,
ist eine allseits geschlossene zylindrische Ampulle, deren Wandung 30 beispielsweise
aus Quarzglas besteht. Diese Zuchtkammer wird durch eine den zylindrischen Teil
umschließende Heizwicklung 31 temperiert.
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Zur Aufhängung und radialen Verschiebung der magnetischen Kerne 10
sind Einrichtungen 32 vorgesehen, die im Detail den in den bisherigen Figuren dargestellten
Ausführungsformen entsprechen können.
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Diese Einrichtungen sind durch in der Zeichnung nicht wiedergegebene
Mittel gegen die Wärmestrahlung abgeschirmt und gekühlt.
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Bei der Herstellung des Kristalls wird bei dem in Figur 5 dargestellten
Beispiel der Vorratsstab 29 von oben nach unten durch die aus einer Widerstandsheizwicklung
33 bestehende Schmelzspule geführt. Alternativ kann auch die Schmelzspule selbst
bewegt
werden. Durch unterschiedliche Vorschubgeschwindigkeiten
der beiden Stabteile 9 und 29 kann eine Streckung oder Stauchung in der Schmelz
zone 34 bewirkt werden.
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Ein gewünschter seitlicher Versatz der Drehachse kann durch eine entsprechende
mechanische Justierung der Lagerstatoren realisiert werden. Mittels Drehfeldstatoren
ist es möglich, die magnetisierbaren Ketone 10 in Rotation zu versetzen.