DE4329283A1 - Drehkopf für Kristallziehanlagen für die Durchführung des Czochralski-Prozesses - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehkopf für Kristallziehanlagen für die Durch­ führung des Czochralski-Prozesses mit einer um eine senkrechte Drehachse drehbaren Bezugsplattform, die im Bereich dieser Drehachse eine senkrechte Durchführungsöffnung für ein aufwickelbares Zugorgan besitzt und auf der ein Antriebsaggregat für den Antrieb einer waagrechten Welle angeordnet ist, auf der verdrehfest aber axial verschiebbar eine Wickeltrommel mit einer schrau­ benlinienförmigen Wickelnut für die Aufnahme des Zugorgans gelagert ist, und mit einer Führungseinrichtung für die axiale Verschiebung der Wickeltrommel in der Weise, daß das von der Wickeltrommel auf- und abwärts bewegte Zugorgan in der Drehachse verläuft.

Derartige Drehköpfe, die bei Verwendung eines Seils als Zugorgan auch als Seildrehköpfe bezeichnet werden, sind bekannt. Sie dienen dazu, einen nach der Czochralski-Methode gebildeten Kristall aus der in einem Schmelztiegel befindlichen Schmelze nach oben zu ziehen und hierbei gleichzeitig dem ge­ zogenen Kristall eine Drehbewegung um seine Längsachse zu überlagern. Es ist herbei eine zwingende Voraussetzung, daß sowohl die Hub- als auch die Drehbewegung des Kristalls möglichst gleichförmig, insbesondere aber voll­ ständig ruckfrei durchgeführt werden. Da in dem Drehkopf üblicherweise der gleiche Druck herrscht wie in der Kristallziehanlage, nach Möglichkeit aber keine kondensationsfähigen Stoffe aus der Kristallziehanlage in den Drehkopf gelangen sollen, ist die Durchführungsöffnung in der Bezugsplattform relativ eng ausgebildet. Das Zugorgan muß hierbei möglichst koaxial in der Durchfüh­ rungsöffnung geführt werden. Da das Zugorgan auf der Wickeltrommel in einer schraubenlinienförmigen Bahn aufgewickelt wird, muß die Wickeltrommel in Richtung ihrer Längsachse so nachgeführt werden, daß die Achse des Zug­ organs stets mit der Achse der Durchführungsöffnung zusammenfällt. In der Nähe der Wickeltrommel verläuft das Zugorgan im wesentlichen tangential zur Oberfläche der Wickeltrommel.

Bei den bekannten Drehköpfen hat man die axiale Nachführung der Wickel­ trommel in der Weise bewirkt, daß entweder eine konkave Führungsrolle am Zugorgan angreift und dieses in die Wickelnut preßt, oder daß eine konvexe Führungsrolle in der Nähe des Zugorgans in die Wickelnut eingreift. Hierbei entsteht jedoch ein unerwünschter Abrieb, der nicht zuletzt auf ein Kondensat zurückzuführen ist, das sich auf der Oberfläche des Zugorgans bildet, gele­ gentlich auch auf der Oberfläche der Wickeltrommel. Vor allem aber gewähr­ leisten die bekannten Lösungen keinen sehr weitgehend ruckfreien Betrieb, so daß Störungen des Ziehprozesses zu beobachten waren. Der bereits erwähnte Abrieb kann dabei durch die Durchgangsöffnung in der Bezugsplattform in die senkrecht darunter befindliche Schmelze fallen, was im Hinblick auf die außer­ ordentlich hohen Reinheitsforderungen der gezogenen Kristalle zu einer weite­ ren Beeinträchtigung des Ziehprozesses führt.

Durch den Ausdruck "Bezugsplattform" ist nicht unbedingt eine rotierende Kreis­ scheibe definiert, sondern in ganz allgemeiner Form eine sich drehende Ebene, auf der die mechanischen Teile des Drehkopfes angeordnet sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Drehkopf der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, daß die rotatorische und axiale Bewegung der Wickeltrommel ruckfrei erfolgt und daß insbesondere im Bereich über der Durchführungsöffnung kein Abrieb gebildet wird, der durch die besagte Durchführungsöffnung in die Kristallziehanlage fallen könnte.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs angegebenen Drehkopf erfindungsgemäß dadurch, daß auf der waagrechten Welle an einer von der senkrechten Drehachse entfernten Stelle ein mit der waagrechten Welle drehbares schraubenlinienförmiges Führungselement gleicher Steigung wie die Wickelnut angeordnet ist, wobei das Führungselement derart mit einer Füh­ rungsmutter zusammenwirkt, daß der tangential von der Wickeltrommel weg­ weisende Teil des Zugorgans in der senkrechten Drehachse geführt ist.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine ruckfreie gleichförmige Nachfüh­ rung der Wickeltrommel in waagerechter Richtung erreicht, und es wird insbeson­ dere die Entstehung von Abrieb wesentlich unterdrückt; insbesondere entsteht durch die erfindungsgemäße Führungseinrichtung keinerlei Abrieb im Bereich der senkrechten Durchführungsöffnung für das aufwickelbare Zugorgan. Der Er­ findungsgegenstand läßt sich in äußerst kompakter Bauweise mit größtenteils genormten Bauteilen ausführen, wobei sich eine geringere Anzahl von Teilen als beim Stand der Technik im Vakuum befinden. Die Montage ist einfacher, da sich die Ausrichtung des Zugorgans auf die Durchführungsöffnung in der Be­ zugsplattform praktisch zwangsläufig ergibt, und die Betriebssicherheit wird zu­ sätzlich erhöht.

Das Zusammenwirken zwischen dem schraubenlinienförmigen Führungselement und der zugehörigen Führungsmutter läßt sich im Zuge einer weiteren Ausge­ staltung der Erfindung unterschiedlich gestalten:

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist das schraubenlinienförmige Führungselement auf der Oberfläche einer Verlängerung der Wickeltrommel an­ geordnet, und die Führungsmutter ist relativ zur Bezugsplattform festgelegt oder bildet sogar einen integralen Teil eines auf der Bezugsplattform angeordneten Gehäuses, in dem die Wickeltrommel und deren Antriebsaggregat angeordnet sind.

Bei einer zweiten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist das schrau­ benlinienförmige Führungselement auf der Oberfläche der waagrechten Welle angeordnet, und die Führungsmutter ist gegenüber der Bezugsplattform ver­ drehfest aber mit der Wickeltrommel axial verschiebbar angeordnet.

Die vorstehend beschriebenen schraubenlinienförmigen Führungselemente können gleichfalls in unterschiedlicher Weise gestaltet sein. So ist es möglich, die betreffenden Führungselemente als erhabene Schraubengänge mit gleicher Steigung wie die Wickelnut auszuführen. Die Führungsmutter hat alsdann eine jeweils hierzu komplementäre Form.

Es ist aber mit besonderem Vorteil verbunden, wenn das schraubenlinienförmi­ ge Führungselement als Führungsnut ausgebildet ist und die Führungsmutter über umlaufende Kugeln mit der Führungsnut zusammenwirkt. Die Gesamtan­ ordnung bildet somit eine Art "Kugelumlaufspindel", die besonders verschleiß- und ruckfrei arbeitet und die gestellten Anforderungen in vollem Umfange erfüllt.

Es ist im Zuge einer wiederum weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgegen­ standes von besonderem Vorteil, wenn die Wickeltrommel mittels einer ein­ gesetzten Kugelbüchse verdrehfest, aber in Längsrichtung verschiebbar, auf der Welle gelagert ist. Die waagrechte Welle ist hierbei zweckmäßig als Keilnut­ welle ausgeführt, wobei die achsparallelen Keilnuten zur Aufnahme der Kugeln der Kugelbüchse dienen. Hierdurch wird die Ruckfreiheit der axialen Nach­ führung zusätzlich gesteigert.

Zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen teilweisen Vertikalschnitt entlang der Drehachse A-A durch eine Kristallziehanlage für die Durchführung der Czochralski- Methode,

Fig. 2 einen vertikalen Axialschnitt entlang der waagrechten Achse H-H durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines sogenannten Dreh­ kopfes,

Fig. 3 einen teilweise axialen Vertikalschnitt entlang der horizontalen Achse H-H durch ein zweites Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und

Fig. 4 einen vertikalen Radialschnitt durch eine Wickeltrommel im Bereich des Endes und der Befestigungsstelle des flexiblen Zugorgans.

In Fig. 1 ist eine Kristallziehanlage für die Durchführung des Verfahrens nach Czochralski dargestellt, zu der eine gasdichte Kammer 2 gehört, die an nicht dargestellte Vakuumpumpen angeschlossen ist. In der Kammer 2 befindet sich ein Schmelztiegel 3, der von einer Induktionsspule 4 umgeben ist, durch die der Inhalt des Schmelztiegels 3 aufgeschmolzen und auf der erforderlichen Tempe­ ratur für den Ziehprozeß gehalten wird. Der Schmelztiegel 3 ist über eine Hub­ stange 5 mit einem nicht dargestellten Vertikalantrieb verbunden, mit der die Hubstange 5 in Richtung des Doppelpfeils 6 auf- und abwärts bewegt werden kann. Dadurch kann die Oberfläche 7 der Schmelze 8 auf einer konstanten Höhe gehalten werden. Die Kammer 2 ist auf einem Traggerüst 9 angeordnet.

Aus der Schmelze 8 wird ein Kristall 10 mit geregelter Geschwindigkeit nach oben gezogen, wobei dieser Kristall durch einen Drehkopf 11 gleichzeitig in Drehung versetzt wird. Der Drehkopf 11 wird anhand der Fig. 2 noch näher erläutert; er ist auf einer Verlängerung 12a einer der Tragstützen 12 des Trag­ gerüstes 9 montiert. Vom Drehkopf 11 führt ein flexibles Zugorgan 13, das im vorliegenden Fall als Zugseil ausgebildet ist, in die Kammer 2. An diesem Zug­ organ 13 hängt mittels eines Keimkristallhalters 14 der besagte Kristall 10. Die Schilderung weiterer Einzelheiten erübrigt sich, da - mit Ausnahme des Dreh­ kopfes 11 eine derartige Kristallziehanlage zum Stande der Technik gehört.

In Fig. 2 ist der Drehkopf 11 in Fig. 1 teilweise in zwei senkrechten Ebenen geschnitten dargestellt, die durch die senkrechte Drehachse A-A und die waagrechte Achse H-H einer Wickeltrommel 15 für das Zugorgan 13 definiert sind. Zum Drehkopf 11 gehört eine Bezugsplattform 16, die Teil eines weitgehend geschlossenen Gehäuses 17 ist, das die Wickeltrommel 15 mit Abstand umgibt. Das Gehäuse 17 besitzt zwei Lagerstellen 18 und 19 in den Stirnwänden 20 und 21 des Gehäuses 17. In diesen Lagerstellen 18 und 19 ist eine waagrechte Welle 22 gelagert, die an ihrem einen Ende durch ein elektrisches Antriebs­ aggregat 23 angetrieben wird, zu dem hier nicht dargestellte Untersetzungs­ getriebe gehören.

Die Bezugsplattform 16 ist mit einer senkrechten Hohlwelle 24 ausgestattet, die die Drehachse A-A definiert und eine zu dieser Achse konzentrische Durchfüh­ rungsöffnung 25 besitzt, die auch durch die Bezugsplattform 16 hindurchgeht.

Durch diese Durchführungsöffnung 25 ist das Zugorgan 13 hindurchgeführt. Die Hohlwelle 24 ist mittels zweier nur angedeuteter Wälzlager in einem Lagergehäuse 26 gelagert, das wiederum auf dem in Fig. 1 gezeigten Ausleger 12b der Tragstütze 12 befestigt ist. Das Lagergehäuse 26 ist gegenüber der Hohlwelle 24 abgedichtet und auch gasdicht mit der Kammer 2 verbunden. Ferner ist auch das Gehäuse 17 gasdicht ausgeführt, so daß sich über die Durchführungsöffnung 25 im Gehäuse 17 der gleiche Druck einstellen kann wie in der Kammer 2.

Die waagrechte Welle 22 besitzt auf ihrem Umfang einen Keil 22a, der zur ver­ drehsicheren Führung der Wickeltrommel 15 dient. Zu diesem Zweck ist die Wickeltrommel 15 mittels einer eingesetzten Kugelbüchse 27 axial beweglich auf der Welle 22 geführt. Weitere Einzelheiten dieser Führung sind Fig. 4 zu entnehmen. Die Kugelbüchse 27 ist ihrerseits über eine Paßfeder 28 ver­ drehfest mit der Wickeltrommel 15 verbunden, die auf ihrer Oberfläche mit einer schraubenlinienförmigen Wickelnut 29 für die Aufnahme des Zugorgans 13 versehen ist. Das Zugorgan 13 läuft in etwa tangential auf die Wickeltrommel 15 auf und legt sich alsdann in die Wickelnut 29.

Auf der waagrechten Welle 22 ist an einer von der senkrechten Drehachse A-A entfernten Stelle ein mit der Welle 22 drehbares schraubenlinienförmiges Füh­ rungselement 30 angeordnet, das die gleiche Steigung wie die Wickelnut 29 be­ sitzt. Dieses Führungselement 30 wirkt in der Weise mit einer Führungsmutter 31 zusammen, daß der tangential von der Wickeltrommel 15 wegweisende Teil des Zugorgans 13 in der Drehachse A-A geführt ist.

Im vorliegenden Fall ist das schraubenlinienförmige Führungselement 30 auf der Oberfläche einer Verlängerung 15a der Wickeltrommel 15 angeordnet, und die Führungsmutter 31 ist relativ zur Bezugsplattform 16 festgelegt, d. h. mit dem Gehäuse 17 verschraubt. Alternativ ist es möglich, das Gehäuse 17 und die Führungsmutter 31 aus einem Teil auszubilden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist das schraubenlinienförmige Füh­ rungselement 30 als Führungsnut ausgebildet, und die Führungsmutter 31 wirkt über umlaufende Kugeln 32 mit der Führungsnut zusammen.

Wegen der Identität der Steigungen und der Steigungsrichtung von Wickelnut 29 und Führungselement 30 (Führungsnut) wird die Wickeltrommel 15 nach Maßgabe der Ab- oder Aufwicklung des Zugorgans 13 stets in dem Sinne ver­ schoben, daß die Achse des Zugorgans stets koaxial zur Achse A-A bzw. zur Durchführungsöffnung 15 verläuft.

Zur Herbeiführung einer Drehbewegung der Bezugsplattform 16 mit der Wickel­ trommel 15 um die Systemachse A-A befindet sich auf der Oberseite des Ge­ häuses 17 ein elektrischer Getriebemotor 33 mit einer Hohlwelle 34, die mit dem Gehäuse 17 verbunden ist. Durch die Hohlwelle 34 sind die elektrischen An­ schlußleitungen für Regelung und Antrieb der elektrischen Einrichtungen hin­ durchgeführt, was hier jedoch nicht näher dargestellt ist. Die Verbindung mit äußeren Anschlüssen erfolgt über ein Schleifringsystem 35, das jedoch gleich­ falls nur schematisch dargestellt ist. Der stationäre Teil des Getriebemotors 33 ist über einen Bügel 36 mit dem Lagergehäuse 26 verbunden, das sich wieder­ um gegenüber der Kammer 2 und dem Ausleger 12b im Ruhezustand befindet. Der Bügel 36 ist in der Weise um die Bezugsplattform 16 bzw. das Gehäuse 17 mit dem Antriebsaggregat 23 herumgeführt, daß eine freie Beweglichkeit gege­ ben ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind gleiche Teile wie in Fig. 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen, so daß sich Wiederholungen erübrigen. Im vorliegenden Fall ist die Wickeltrommel 37 verkürzt ausgebildet, d. h. sie trägt im wesentlichen nur eine Wickelnut 29. Die waagrechte Welle 38 ist abgesetzt ausgebildet und trägt auf ihrem verjüngten Ende 38a gleichfalls einen schrau­ benlinienförmiges Führungselement 39, mit dem eine Führungsmutter 40 zu­ sammenwirkt. Diese Führungsmutter 40 ist - durch nicht dargestellte Mittel - zwar gegenüber der Bezugsplattform 16 verdrehfest angeordnet, zugleich aber mit der Wickeltrommel 37 axial verschiebbar. Auch das schraubenlinienförmige Führungselement 39 ist im vorliegenden Fall als Führungsnut ausgebildet, und auch hierbei steht die Führungsmutter 40 über umlaufende Kugeln 32 mit der Führungsnut in Verbindung. Das schraubenlinienförmige Führungselement 39 (Führungsnut) hat auch in diesem Falle die gleiche Steigung und die gleiche Steigungsrichtung wie die Wickelnut 29, so daß auch bei dieser Ausführungs­ form das Zugorgan 13 stets konzentrisch in der Durchführungsöffnung 25 ge­ führt ist. Die in diesem Fall gegebene Axialbewegung der Führungsmutter 40 wird durch Laschen 41 unter Zwischenschaltung eines Axiallagers 42 auf die Wickeltrommel 37 übertragen. Die Wickeltrommel 37 ist in analoger Weise auf der Welle 38 gelagert, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

In Fig. 4 ist die waagrechte Welle 22 gemäß Fig. 2 mit ihrem Keil 22a darge­ stellt, wobei diese Welle 22 unter Zwischenschaltung von Kugeln 43 die bereits beschriebene Kugelbüchse 27 in Umfangsrichtung mitnimmt, in axialer Richtung aber die bereits beschriebene Bewegung zuläßt. Es ist weiterhin dargestellt, daß das Ende des Zugorgans 13 ein im Durchmesser größeres Endstück 44 besitzt, mit dem das Zugorgan 13 in einer etwa tangentialen Bohrung 45 der Wickeltrommel 15 bzw. 37 gehalten ist. In dem mit der Bezugsplattform 16 ver­ bundenen Gehäuse 17 befindet sich eine verschließbare Öffnung 46, mit der das Endstück 44 des Zugorgans 13 in eine Fluchtstellung bringbar ist. Die Öff­ nung 46 ist durch einen Schraubstopfen 47 gasdicht verschlossen. Nach dem Abnehmen des Schraubstopfens 47 läßt sich das Zugorgan 13 durch die Öff­ nung 46 ins Freie schieben, wo alsdann das Endstück 44 vom Zugorgan 13 ge­ löst werden kann. Auf diese Weise läßt sich das Zugorgan 13 ohne weitere De­ montage aus dem Drehkopf herausnehmen.

Üblicherweise wird das flexible Zugorgan 13 als Stahlseil aus einem temperatur- und korrosionsbeständigen Werkstoff ausgeführt. Es ist jedoch denkbar, als Zugorgan eine feingliedrige Kette oder vergleichbare Mittel zu verwenden.

Claims (6)

1. Drehkopf (11) für Kristallziehanlagen (1) für die Durchführung des Czochralski-Prozesses mit einer um eine senkrechte Drehachse (A-A) drehbaren Bezugsplattform (16), die im Bereich dieser Drehachse eine senkrechte Durchführungsöffnung (25) für ein aufwickelbares Zugorgan (13) besitzt und auf der ein Antriebsaggregat (23) für den Antrieb einer waagrechten Welle (22, 38) angeordnet ist, auf der verdrehfest aber axial verschiebbar eine Wickeltrommel (15, 37) mit einer schraubenlinienförmigen Wickelnut (29) für die Aufnahme des Zugorgans gelagert ist, und mit einer Führungseinrichtung für die axiale Verschiebung der Wickeltrommel in der Weise, daß das von der Wickeltrommel auf- und abwärts bewegte Zugorgan in der Drehachse (A-A) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der waagrechten Welle (22, 38) an einer von der senkrechten Drehachse (A-A) entfernten Stelle ein mit der waagrechten Welle drehbares schraubenlinien­ förmiges Führungselement (30, 39) gleicher Steigung wie die Wickelnut an­ geordnet ist, wobei das Führungselement derart mit einer Führungsmutter (31, 40) zusammenwirkt, daß der tangential von der Wickeltrommel (15, 37) wegweisende Teil des Zugorgans (13) in der senkrechten Drehachse (A-A) geführt ist.

2. Drehkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schrauben­ linienförmige Führungselement (30) auf der Oberfläche einer Verlängerung (15a) der Wickeltrommel (15) angeordnet ist und daß die Führungsmutter (31) relativ zur Bezugsplattform (16) festgelegt ist.

3. Drehkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schrauben­ linienförmige Führungselement (39) auf der Oberfläche der waagrechten Welle (38) angeordnet ist und daß die Führungsmutter (40) gegenüber der Bezugsplattform (16) verdrehfest aber mit der Wickeltrommel (39) axial verschiebbar angeordnet ist.

4. Drehkopf nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das schraubenförmige Führungselement (30, 39) als Führungsnut ausgebildet und daß die Führungsmutter (31, 40) über umlaufende Kugeln (32) mit der Führungsnut zusammenwirkt.

5. Drehkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wickeltrom­ mel (15, 37) mittels einer eingesetzten Kugelbüchse (27) verdrehfest, aber in Längsrichtung verschiebbar, auf der Welle (22) gelagert ist.

6. Drehkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Zugorgans (13) ein im Durchmesser größeres Endstück (44) besitzt, mit dem das Zugorgan (13) in einer etwa tangentialen Bohrung (45) in der Wickeltrommel (15, 37) gehalten ist, und daß sich in einem mit der Bezugs­ plattform (16) verbundenen Gehäuse (17) eine verschließbare Öffnung (46) befindet, mit der das Endstück (44) des Zugorgans in eine Fluchtstellung bringbar ist.