DE3733562A1 - Vorrichtung zum ziehen eines einkristalls aus einem tiegel mittels eines aufwickelbaren ziehorgans - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus einem Tiegel mittels eines aufwickelbaren Ziehorgans, insbesondere mittels eines Zugseils, an dessen oberhalb des Tiegels ange­ ordnetem Ende ein Keimkristallhalter befestigt ist und welches mit einer angetriebenen Aufwickeltrommel verbunden ist, die in einem um das Ziehorgan dreh­ baren Gehäuse gelagert ist.

Es ist eine Vorrichtung des in Frage stehenden Typs bekannt (DE-PS 31 16 916), bei der die Hubantriebs­ einrichtung einen Antriebsmotor für Schnellauf und einen Antriebsmotor für Langsamlauf aufweist, die über eine Kupplung auf die Aufwickeltrommel einwir­ ken, wobei die Welle für die Aufwickeltrommel mit einem Schneckenrad und die mit den Antriebsmotoren verbundene, senkrecht stehende Welle mit einer Schnecke versehen sind. Damit sichergestellt ist, daß das Zugseil für den Keimkristallhalter möglichst lotrecht von der Trommel ab- bzw. auf diese auf­ läuft, ist die Trommel auf der Welle axial ver­ schieblich gelagert, so daß sich die Trommel während eines Ziehvorgangs zusammen mit einer Schiebehülse auf der Welle hin- und herbewegt. Die Aufwickeltrom­ mel ist zusammen mit dem Schneckentrieb und den bei­ den Lagern der Welle in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht. Damit das Zugseil sich gleichmäßig auf die Tronmel auf- bzw. abwickeln kann, ist in die zylindrische Mantelfläche der Trommel eine schrau­ bengangförmige Nut eingeschnitten, in die sich das Zugseil einlegt. Um zu verhindern, daß das Zugseil, insbesondere wenn es entlastet ist, seitwärts aus der schraubengangförmigen Nut herausrutscht, liegt ständig eine Andrückrolle im Bereich der letzten Windung des Zugseils an der Trommel bzw. dem Zugseil an und drückt dieses radial nach innen zu in die Nut.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrun­ de, eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls zu schaffen, deren Hubantriebseinrichtung besonders feinfühlig und erschütterungsfrei läuft, die beson­ ders einfach im Aufbau ist, bei der kein Metallab­ rieb in den Bereich des Vakuumkessels gelangen kann und deren Zugseil so führbar ist, daß es nicht in der Längsbohrung des Stützlagers reibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gehäuse eine allseits geschlossene erste Kammer aufweist, in der die Aufwickeltrommel auf der angetriebenen, horizontal angeordneten Welle gehal­ ten ist, wobei die Welle durch eine Wand abgedichtet hindurchgeführt ist, und über ein in einer zweiten benachbarten Kammer des Gehäuses vorgesehenen Ge­ triebe mit einer mit dem Antriebsmotor gekoppelten Welle in Wirkverbindung steht, wobei in der ersten Kammer unterhalb der Aufwickeltrommel ein Seilfüh­ rungsrad auf einem an einer Gehäusewand befestigten Bolzen drehbar, jedoch axial unverschiebbar, gela­ gert ist, über die das Zugseil zu einer Öffnung oder Längsbohrung im unteren Gehäusedeckel geführt ist, die sich lotrecht über der Schmelze befindet.

Vorzugsweise ist die auf einer horizontal gelagerten Welle angeordnete Aufwickeltrommel an ihrer kreis­ zylindrischen Wickelfläche mit einer schraubengang­ förmigen Nut oder Rille versehen, wobei das Quer­ schnittsprofil der Rille dem Querschnittsprofil des Zugseils angepaßt ist, welches beim Aufwickelvorgang in diese Rille einläuft.

Zweckmäßigerweise ist auch das Seilführungsrad mit einer umlaufenden Nut oder Rille versehen, deren Querschnitt so bemessen ist, daß sich das Zugseil zumindest im Bereich eines Abschnitts, der etwa 1/8 des Umfangs des Seilführungsrads ausmacht, in diese Rille einlegt, wobei die vom Seilführungsrad nach unten zu ablaufende Partie des Zugseils berührungs­ los durch die lotrechte Längsbohrung der Stützwelle hindurchführbar ist.

Um eine besonders genaue Einstellung des Zugseils gegenüber der Längsbohrung in der Stützwelle zu ermöglichen, ist ein am Gehäuse der Vorrichtung im Bereich der unteren Gehäusewandung angeordneter Support mit einem etwa horizontal verstellbaren Schlitten, mit einem an diesen angelenkten Joch mit zwei Führungsrollen vorgesehen, wobei die vom Seilführungsrad ablaufende Partie des Zugseils zwischen den beiden, einander gegenüberliegend am Joch drehbar gelagerten Führungsrollen hindurch­ geführt ist.

Mit Vorteil ist die Welle für die Aufwickeltrommel mit einem Schneckenrad drehfest verbunden, das mit der Schnecke einer Antriebswelle im Eingriff steht, wobei die Welle in einem druckdichten La­ ger, beispielsweise in einem ferrofluidischen Lager, geführt ist, das in dem die beiden Kammern voneinander trennenden Wandteil gehalten ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Welle für die Aufwickeltrommel und das Schnecken­ rad einerseits an einem Teil eines Getrieberahmens gelagert, der bis in die Kammer des Gehäuses hin­ einragt, und andererseits an einem Rahmenteil, der sich in der Kammer befindet, wobei der Getriebe­ rahmen mit einem flanschartigen Teil in eine Aus­ nehmung der Trennwand eingesetzt ist und diese hermetisch verschließt.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungs­ möglichkeiten zu; eine davon ist in der anhängenden Zeichnung schematisch näher dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 den Längsschnitt durch eine Vorrich­ tung zum Ziehen eines Einkristalls mit einer ersten Kammer für die Aufwickel­ trommel und die Seilführungseinrich­ tung und einer zweiten Kammer für ein Schneckenrad mit Antriebswelle und mit außerhalb der beiden Gehäuse angeord­ netem Antriebsmotor mit Getriebeein­ heit und

Fig. 2 ein Teil-Längsschnitt durch die Vor­ richtung nach Fig. 1, jedoch längs einer zur Schnittebene gemäß Fig. 1 um 90° versetzten Ebene.

Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem zwei Kammern aufweisenden Gehäuse 5, einer durch die Trennwand 6 hindurchgeführten, in einem Getriebe­ rahmen 12 gelagerten Welle 7 mit einer auf dieser angeordneten Aufwickeltrommel 8 und einem Schnecken­ rad 9, einem auf einem Bolzen 10 an der Trennwand 6 drehbar gelagerten Seilführungsrad 11, der an der Gehäusewand 13 und dem oberen Gehäusedeckel 14 des Gehäuses 5 gelagerten, mit dem Schneckenrad 9 im Eingriff befindlichen Antriebswelle 15 mit dem mit der Antriebswelle 15 gekoppelten Antriebsmotor 16 und der Stelleinrichtung 17 mit Führungsrolle 18, 19 für das Zugseil 20.

Das Gehäuse 5 ist mit seiner unteren Gehäusewan­ dung 21 über eine Stützwelle 22 mit Längsbohrung 23 drehbar in einem Stützlager gehalten, das auf dem oberen Wandteil 25 des Vakuumkessels befestigt ist. Am unteren Ende des Zugseils 20, das durch die Längsbohrung 23 der Stützwelle 22 hindurchgeführt ist, ist der Keimkristallhalter 26 mit dem Ein­ kristall 27 befestigt, wobei der Einkristall 27 aus der Schmelze 28 ziehbar ist, die sich im Schmelz­ tiegel 29 befindet.

Während des Betriebs wird der Keimkristallhalter 26 mit Hilfe des Zugseils 20 langsam in Pfeilrichtung A nach oben gezogen, wozu das Zugseil 20 auf die sich drehende Trommel 8 aufgewickelt wird. Dabei kommt es wesentlich darauf an, daß die Aufwärtsbewegung des Keimkristallhalters 26 stetig und erschütterungsfrei erfolgt. Um nun jegliche Erschütterung zu vermeiden, ist das Zugseil 20 über ein Paar Führungsrollen 18, 19 und ein größeres Seilführungsrad 11 geführt, wobei das Rollenpaar 18, 19 geeignet ist, das Zug­ seil 20 so gegenüber dem Gehäuse 5 bzw. gegenüber der Längsbohrung 23 der Stützwelle 22 auszurichten, daß es, ohne an die Bohrungswand anzustoßen, rei­ bungsfrei durch die Stützwelle 22 hindurchgleitet. Das Seilführungsrad 11 ist mit einer umlaufenden Nut versehen, in der das Zugseil 20 liegt, wobei das Seilführungsrad 11 dafür Sorge trägt, daß ein sich oberhalb des Seilführungsrads 11 im Bereich s je nach Wickellage des Zugseils 20 sich einstellen­ der Zugwinkel α keinen Einfluß auf den freihängen­ den Abschnitt des Zugseils 20 (im Bereich p) hat.

Die Aufwickeltrommel 8 ist axial unverschieblich auf der Welle 7 angeordnet und weist an ihrer zylindri­ schen Außenfläche eine schraubengangförmige Rille 30 auf, die mit gleichmäßiger Steigung nach Art eines Schraubengewindes in die Außenfläche eingeschnitten ist, wobei das Zugseil 20 sich beim Aufwickelvorgang in diese Rille 30 einlegt. Die Kammer 3 ist gegenüber der benachbarten Kammer 4 durch die Trennwand 6 abge­ teilt, die eine Ausnehmung 31 aufweist, die von dem Flansch 32 verschlossen ist, der Teil des Getriebe­ rahmens 12 ist. Der Flansch 32 weist in seinem Zen­ trum das ferrofluidische Lager 33 oder eine andere geeignete Vakuumdichtung für die Welle 7 auf.

Die Trennwand 6 mit dem Flansch 32 und dem ferroflui­ dischen Lager 33 schließen zusammen mit den Gehäuse­ wandteilen 13, 14, 21, 34 und 35 die Kammer 3 nach außen zu ab, wobei die Kammer 3 nur noch eine Verbin­ dung über die Längsbohrung 23 der Stützwelle 22 mit dem Vakuumkessel 25 hat, in dem sich der Schmelztie­ gel 29 befindet. Das ferrofluidische Lager 33 der Welle 7 ist so ausgelegt, daß im Vakuumkessel 25 und damit auch in der Kammer 3 ein Hochvakuum erzeugt werden kann. Die benachbarte Kammer 4 ist ebenfalls gegenüber der Umgebungsluft abgeschlossen; dennoch können das Wälzlager 36 und auch der Schneckentrieb 37 der Antriebswelle 15 in herkömmlicher Weise ausge­ bildet und mit Fett geschmiert werden, da keinerlei Schmutz oder Fett oder Metallabrieb von der Kammer 4 aus in die evakuierte Kammer 3 eindringen können.

Die Antriebswelle 15 ist im übrigen in zwei Lager­ böcken 38, 39 gehalten und geführt, von denen das eine Lager 38 teilweise in den oberen Gehäusedeckel 14 eingelassen und das andere Lager 39 an der Gehäu­ sewand 13 befestigt ist.

Die Stelleinrichtung 17 besteht aus einer am unteren Gehäusedeckel 21 drehbar in einem Support 42 gela­ gerten Spindel 43 und einem längsverschieblichen Schlitten 40, an dem zwei Führungsrollen 18, 19 gelagert sind. Das Zugseil 20 ist zwischen den beiden Führungsrollen 18, 19 hindurchgeführt, wobei das Zugseil 20 sowohl gleichzeitig an der einen Rolle 19 als auch an der anderen Rolle 18 anliegt. Da beide Rollen 18, 19 jeweils mit einer umlaufenden Nut versehen sind, deren Tiefe und Breite dem Zug­ seil 20 angepaßt sind, kann durch ein Verstellen des Schlittens 40 des Supports 42 in Pfeilrichtung B eine sehr genaue Ausrichtung des Zugseils 20 über das Joch 41 mit den beiden Rollen 18, 19 erzielt werden.

Erfindungswesentlich ist das Aufwickeln des Zug­ seils 20 auf eine flache Trommel 8 relativ großen Durchmessers. Ein Trommeldurchmesser von zum Bei­ spiel 200 mm ermöglicht eine Ziehlänge von 3 m bei einer Trommelbreite von etwa 20 mm und 3 mm Seil­ durchmesser.

Um den Ablaufpunkt des Zugseils 20 in Richtung auf den Tiegel 29 zu konstant zu halten, wird das Zug­ seil 20 über das Seilführungsrad 11 geführt. Die freie Seillänge zwischen Trommel 8 und Rad 11 wird so groß gewählt, daß der Winkel α, mit dem das Zug­ seil 20 auf die Trommel 8 bzw. das Rad 11 aufläuft, genügend klein bleibt, um nicht aus der Führungs­ rille 30 zu springen.

Die Trommel 8 ist auf einer Welle 7 befestigt, die über eine Flüssigkeitsdichtung aus dem Vakuumbereich in den atmosphärischen Bereich herausgeführt ist. Der Antrieb der Welle 7 erfolgt in bekannter Weise über ein Schneckengetriebe und weitere Vorgelege. Die Lagerung der Welle 7 erfolgt entweder mit je einem Lager 36 bzw. 44 im atmosphärischen und im Vakuumbereich (wie in Fig. 1 dargestellt) oder mit beiden Lagern im atmosphärischen Bereich (nicht dar­ gestellt).

Über den Umfang der Trommel 8 sind ein oder mehrere kleine, federnd gelagerte Laufräder 45, 46 angeord­ net, die dafür sorgen, daß das Zugseil 20 auch im unbelasteten Zustand nicht aus den Führungsrillen 30 springt. Unterhalb der Ablaufrolle sind zwei weitere Führungsrollen 18, 19 angebracht, die das Zugseil 20 gerade richten und Hysterese-Effekte unterdrücken.

Die dargestellte Vorrichtung hat folgende besondere Vorteile:

• a) Es befindet sich kein Buntmetall im Vakuum­ bereich, was bei bisherigen Bauweisen aus Grün­ den der Verschleißminderung zwischen Schnecken­ welle (aus Stahl) und Schneckenrad (aus Bronze) der Fall ist.
• b) Im Falle des Einbaus beider Wellenlager im atmosphärischen Bereich können die Haupttrag­ kräfte von geschmierten Lagern aufgenommen wer­ den. Laufruhe und Lebensdauer der Vorrichtung werden dadurch verbessert.
• c) Der Ablaufpunkt des Zugseils kann mit dem Seil­ führungsrad und den Führungsrollen 10, 19 zum Ausrichten des Zugseils 20 präziser festgelegt werden als bei bekannten Ausführungen, bei denen das Zugseil von einer axial beweglichen Trommel abläuft.

Auflistung der Einzelteile:

 3 Kammer
 4 Kammer
 5 Gehäuse
 6 Trennwand
 7 Welle
 8 Aufwickeltrommel
 9 Schneckenrad
10 Bolzen
11 Seilführungsrad
12 Getrieberahmen
13 Gehäusewand
14 oberer Gehäusedeckel
15 Antriebswelle
16 Vorgelege
17 Stelleinrichtung
18 Führungsrolle
19 Führungsrolle
20 Zugseil
21 untere Gehäusewandung
22 Stützwelle
23 Längsbohrung
24 Stützlager
25 oberes Wandteil des Vakuumkessels
26 Keimkristallhalter
27 Einkristall
28 Schmelze
29 Schmelztiegel
30 schraubengangförmige Rille
31 Ausnehmung
32 Flansch
33 ferrofluidisches Lager
34 Gehäusewandteil
35 Gehäusewandteil
36 Wälzlager
37 Schneckentrieb
38 Lagerbock
39 Lagerbock
40 Schlitten
41 Joch
42 Support
43 Spindel
44 Wälzlager
45 Laufrad
46 Laufrad
47 Rahmenteil
48 Rahmenteil
49 Antriebsmotor

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus einem Tiegel (29) mittels eines aufwickelbaren Zugorgans, insbesondere mittels eines Zugseils (20), an dessen oberhalb des Tiegels (29) ange­ ordnetem Ende ein Keimkristallhalter (26) befe­ stigt ist und welches mit einer angetriebenen Aufwickeltrommel (8) verbunden ist, die in einem um das Zugorgan drehbaren Gehäuse (5) ge­ lagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (5) eine allseits geschlossene erste Kammer (3) aufweist, in der die Aufwickeltrommel (8) auf der angetriebenen, horizontal angeordne­ ten Welle (7) gehalten ist, wobei die Welle (7) durch eine Wand (6) abgedichtet hindurchge­ führt ist und über ein in einer zweiten benach­ barten Kammer (4) des Gehäuses (5) vorgesehenen Getriebe (9, 37) mit einer mit dem Antriebsmotor (16) gekoppelten Welle (15) in Wirkverbindung steht und wobei in der ersten Kammer (3) unter­ halb der Aufwickeltrommel (8) ein Seilführungs­ rad (11) auf einem an einer Gehäusewand (6) befestigten Bolzen (10) drehbar, jedoch axial unverschiebbar, gelagert ist, über das das Zug­ seil (20) zu einer Öffnung oder Längsbohrung (23) im unteren Gehäusedeckel (21) geführt ist, die sich lotrecht über der Schmelze (28) befin­ det.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die auf einer horizontal gelager­ ten Welle (7) angeordnete Aufwickeltrommel (8) an ihrer kreiszylindrischen Wickelfläche mit einer schraubengangförmigen Nut oder Rille (30) versehen ist, wobei das Querschnittsprofil der Rille (30) dem Querschnittsprofil des Zugseils (20) angepaßt ist, welches beim Aufwickelvorgang in diese Rille (30) einläuft.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Seilführungsrad (11) mit einer umlaufenden Nut oder Rille versehen ist, deren Querschnitt so bemessen ist, daß sich das Zugseil (20) zumindest im Bereich eines Ab­ schnitts (a), der etwa 1/8 des Umfangs des Seil­ führungsrads (11) ausmacht, in diese Rille ein­ legt, wobei die vom Seilführungsrad (11) nach unten zu ablaufende Partie (p) des Zugseils (20) berührungslos durch die lotrechte Längsbohrung (23) der Stützwelle (22) hindurchführbar ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekenn­ zeichnet durch einen am Gehäuse (5) der Vorrich­ tung im Bereich der unteren Gehäusewandung (21) angeordneten Support mit einem etwa horizontal verstellbaren Schlitten (40), mit einem an die­ sen angelenkten Joch (41) mit zwei Führungsrol­ len (18, 19), wobei die vom Seilführungsrad (11) ablaufende Partie (p) des Zugseils (20) zwischen den beiden einander gegenüberliegend, am Joch (41) drehbar gelagerten Führungsrollen (18, 19) hindurchgeführt ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (7) für die Aufwickeltrommel (8) mit einem Schneckenrad (8) drehfest verbunden ist, das mit der Schnecke (37) einer Antriebswelle (15) im Eingriff steht, wobei die Welle (7) in einem druckdichten Lager, beispielsweise in einem ferrofluidischen Lager (33), geführt ist, das in dem die beiden Kammern (3 und 4) vonein­ ander trennenden Wandteil (6, 32) gehalten ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (7) für die Aufwickeltrommel (8) und das Schneckenrad (9) einerseits an einem Teil (47) eines Getrieberahmens (12) gelagert ist, der bis in die Kammer (3) des Gehäuses (5) hin­ einragt, und andererseits an einem Rahmenteil (48), der sich in der Kammer (4) befindet, wobei der Getrieberahmen (12) mit einem flanschartigen Teil (32) in eine Ausnehmung (31) der Trennwand (6) eingesetzt ist und diese hermetisch ver­ schließt.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das unterhalb des Seilführungsrads (11) angeord­ nete Joch (41) mit seinen beiden Führungsrollen (18, 19) an einem Schlitten (40) des Supports (42) so gehalten ist, daß das Zugseil (20) erst die erste Führungsrolle (19) und dann die gegen­ überliegende zweite Führungsrolle (18) tangiert, wozu die Drehachsen der Führungsrollen (18, 19) in verschiedenen Ebenen angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Support (42) ein Verstellglied oder einen ersten Schlitten (40) aufweist, der eine Ver­ schiebung des Jochs (41) zusammen mit seinem Führungsrollenpaar (18, 19) quer zur Drehachse des Seilführungsrads (11) und einen zweiten Schlitten aufweist, der eine Verschiebung des Jochs (41) längs der Drehachse des Seilführungs­ rads (11) gestattet.