NO335846B1

NO335846B1 - Anordning for krystalltrekking og et kabeldreiningshode for en slik anordning

Info

Publication number: NO335846B1
Application number: NO20064067A
Authority: NO
Inventors: Andreas Mühe
Original assignee: Pva Tepla Ag
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2015-03-02
Also published as: KR20060120290A; DE102004011901A1; EP1730331B1; US7662231B2; US20080000415A1; NO20064067L; PL1730331T3; KR100831609B1; EP1730331A1; WO2005087985A1

Abstract

For å tilveiebringe et kabeldreiningshode (8) for et Czochralski-krystalltrekkingsanlegg uten slepekontaktringer, for asimutal og vertikal drift av en trekkabel (7) og en på denne festet kimekrystallholder (6), blir, i samsvar med oppfinnelsen, kabeldreiningshodet (8) båret med en kabelviklingsmekanisme (15) av en vertikal hulaksel (14), gjennom hvilken trekkabelen (7) henger inn i krystalltrekkingsanlegget, kabeldreiningshodet (8) er opplagret dreibart om sin akse og kan beveges i en dreiningsbevegelse av en på krystalltrekkingsanlegget festet rotasjonsmotor (11), sammen med kabelviklingsmekanismen (15) og trekkabelen (7), og denne vertikale hulakslen (14) er koaksialt omgitt av et dobbelttannhjul (16) som er dreibart opplagret overfor hulakslen (14) og som kan drives av en trekkmotor (10) som er festet på krystalltrekkingsanlegget, hvorved dobbelttannhjulet (16) kan drive kabelviklingsmekanismen (15) over et drivverk, slik at den mekaniske driftsenergien fra trekkmotoren (10) som er stedsfast festet på krystalltrekkingsanlegget kan overføres til kabelviklingsmekanismen (15) som roterer i forhold til krystalltrekkingsanlegget.

Description

Oppfinnelsen vedrører en anordning for krystalltrekking omfattende et kabeldreiningshode og et kabeldreiningshode for en slik anordning ifølge den innledende del av henholdsvis patentkrav 1 og 10.

Bakgrunn

Et slikt kabeldreiningshode med en kabelviklingsmekanisme, som er innsatt i et Czochralski krystalltrekkingsanlegg, er beskrevet i DE 100 07 265, DE 43 29 283, EP 437 775 og US 436 71 99. For den følgende, nærmere forklaringen av teknikkens stilling, henvises det til figur 2. Der er en kabelviklingsmekanisme skjematisk fremstilt. Et slikt anlegg blir benyttet for å trekke en krystall 1 oppover, eksempelvis en silisium-monokrystall fra en smelte 2, eksempelvis en silisiumsmelte, som befinner seg i en digel 3, eksempelvis en kvartsglassdigel. Digelen med smeiten blir varmet ved hjelp av en varmeanordning 4, for eksempel elektrisk motstand svarm ing eller induksjonsvarming. Dyrkningsrommet blir omsluttet av et prosesskammer 5, som ved behov blir tømt eller blir fylt eller spylt med beskyttelsesgass.

Krystallen henger på en kimekrystallholder 6 som videre er festet til en trekkabel 7, eksempelvis en edelstålkabel eller en wolframkabel. Ved starten av krystalldyrkingen blir først kimekrystallholderen 6 senket og kimekrystallen blir brakt i kontakt med smeiten 2. Deretter blir kimekrystallholderen 6 langsomt og kontrollert hevet igjen, slik at ytterligere materiale fra smeiten krystalliseres på kimekrystallen med samme hastighet som kimekrystallholderen blir trukket oppover. En senkning av smeltenivået i digelen 3 blir ofte kompensert med en langsom hevning av digelen 3. For å oppnå en tilnærmet sylindrisk krystall 1, blir som regel både krystallen 1 og digelen 3 satt i rotasjon om sin vertikale akse, under krystalldyrkningen. På grunn av denne prosesstyringen, må det såkalte kabeldreiningshodet 8 kunne heve og senke trekkabelen 7 meget presist, samt kunne sette denne i rotasjon. Dette blir løst med en kabeltrommel 9 som kan settes i rotasjon over en utveksling og en trekkmotor 10, og som således vikler trekkabelen 7 på eller av. Kabeltrommelen 9 og dens drivverk befinner seg i et hus eller på en plattform som ved hjelp av en rotasjonsmotor 11 kan settes i rotasjon om den vertikale aksen til trekkanlegget. På grunn av rotasjonen til trekkdrivverket om den vertikale aksen til trekkanlegget, må forbindelseskabelen til trekkmotoren 10 være tilkoblet over slepekontaktringer 12, hvis tilkobling, som ikke roterer i forhold til anlegget, er forbundet med trekkanlegget ved hjelp av en holder og kabelkanal 13.

Utførelsesformen av et kabeldreiningshode, som er dokumentert tidligere, hvorved en trekkmotor 10 og kabeltrommelen 9 roterer om den vertikale aksen til trekkanlegget, har den ulempen at en tilkobling av trekkmotoren 10 for elektrisk energiforsyning, samt for registrering av motoromdreiningstallet og således hevningshastigheten, kun kan skje over slepekontaktringer 12. Slike slepekontaktringer er basert på en glidende elektrisk kontakt mellom et roterende og et fast polelement, hvorved det for det første en slitasje av polelementene er uunngåelig og det for det andre kan oppstå forstyrrelser av de elektriske signalene som blir overført over slepekontaktringene. Derfor blir digitale motorstyringsenheter bygget umiddelbart inn i den roterende delen av kabeldreiningshodet i kabeldreiningshoder som er kjent i dag, slik at kun digitale databuss-signaler og forsyningsspenningen blir overført over slepekontaktringene. Dette fører imidlertid til en meget stor byggeform og en stor roterende masse, kombinert med mulige problemer på grunn av ubalanse i de roterende delene til kabeldreiningshodet. Heller ikke problemet med slepekontaktringene og den dertil knyttete nødvendigheten av vedlikehold av slepekontaktringene 12 kan løses slik.

I DE 199 32 026 er de nevnte problemene ved energi- og signaloverføringen til den roterende delen av kabeldreiningshodet løst med en induktiv kobling av elektrisk energi og elektriske signaler fra en fast induksjonsspole til en koaksialt anordnet induksjonsspole som dreier med kabeldreiningshodet. Alternativt blir kun den elektriske energien overført til kabeldreiningshodet på induktivt vis, mens signalkommunikasjonen skjer gjennom en optisk overføringsbane eller en høyfrekvens-overføringsbane. På denne måten kan slepekontaktringer fullstendig unngås, og slitasjeproblemet, så vel som problemet med forstyrrelsesfrihet av de overførte signalene, kan løses. Denne løsningen er imidlertid forbundet med høy teknisk innsats, spesielt ved tillaging av dataoverføringen, og er således også kostbar.

DE 19932026 Al er et annet eksempel fra den kjente teknikk, som beskriver en anordning for krystalltrekking med en stasjonært anordnet rotasjonsmotor og en kabelviklingsmekanisme som er anordnet i kabeldreiningshodet og som er drevet av en trekkmotor. Trekkmotoren er imidlertid ikke festet stasjonært til krystalltrekkingsanordningen.

US 4,190,630 A er ytterligere et eksempel fra den kjente teknikk der en krystalltrekkingsanordning har en stasjonær trekkmotor og rotasjonsmotor. Denne publikasjonen savner imidlertid beskrivelse av en kabelviklingsmekanisme.

Formål

Formålet med oppfinnelsen er følgelig å tilveiebringe et enkelt oppbygget kabeldreiningshode som er billig å realisere, ved hvilket de ovenfor nevnte problemene ikke oppstår.

Oppfinnelsen

I samsvar med oppfinnelsen blir dette formålet løst med en anordning for krystalltrekking ifølge den karakteriserende del av patentkrav 1 og et kabeldreiningshode for en slik anordning ifølge den karakteriserende del av patentkrav 10. Ytterligere fordelaktige trekk framgår av de respektive uselvstendige kravene.

Trekkmotoren er i henhold til oppfinnelsen anordnet stasjonært på krystalltrekkingsanlegget og utvekslingen mellom trekkmotoren og kabelpåviklingsmekanismen fremviser et overføringsledd, hvis dreieakse stemmer overens med den vertikale dreieaksen til kabeldreiningshodet.

Oppfinnelsens kjerne består således deri, at overføringsleddet som er anordnet i den vertikale aksen beholder sin posisjon også ved en dreining av kabeldreiningshodet, slik at de ytterligere leddene til utvekslingen forblir koblet uavhengig av vinkelstillingen til kabeldreiningshodet i forhold til overføringsleddet. Dette gjør det mulig å anordne trekkmotoren stedsfast, noe som har den fordelen at de elektriske tilførselsledningene for energiforsyningen og for overføring av styringssignaler kan være konvensjonelt forbundet med anleggsstyringen. Spesielt bortfaller nødvendigheten av bruk av slepekontaktringer og de dermed tilknyttete tungvinte og dyre tiltakene for å unngå elektriske forstyrrelser og det derved tilknyttete vedlikeholdsarbeidet. Samtidig kan kabeldreiningshodet bygges meget kompakt og behøver heller ingen teknologisk tungvint, induktiv energi- eller signaloverføring.

Ved en slik anordning av overføringsleddet må man imidlertid være oppmerksom på at ved et slikt roterende kabeldreiningshode, vil leddet til drivverket, som følger overføringsleddet, avvikle på overføringsleddet, og således indusere drift av kabeltrekkingsanlegget og således et løft av trekkabelen. Dette kan forhindres med en videreutvikling av oppfinnelsen, hvorved det er tilveiebrakt en anleggsstyring som stiller inn driwerksbevegelsen til trekkmotoren slik at driften av påviklingsmekanismen som induseres ved en dreining av kabeldreiningshodet og den dertil knyttete vertikale bevegelsen til trekkabelen blir kompensert og det oppnås en hevningshastighet som blir meddelt til anleggsstyringen.

Informasjonen som er nødvendig for styringen blir forsørget ved hjelp av inkrementgiver, til hvilken begge motorene er koblet.

Vanligvis blir trekkabelen ført gjennom en hulaksel som bærer kabeldreiningshodet. Ved en slik anordning blir overføringsleddet helst dreibart opplagret på hulakselen. Således kan også begge motorene være anordnet nedenfor kabeldreiningshodet, på hodet til krystalldyrkningsanlegget, noe som gir en kompakt konstruksjon.

En enkel utførelsesform av overføringsleddet er et dobbelttannhjul med to fortanninger som ligger over hverandre, hvorved det nedre tannhjulet er koblet med utgangsakselen til trekkmotoren og det øvre tannhjulet er koblet med drivakselen til kabelpåviklingsmekanismen.

Man oppnår stor formingsfrihet ved anordning av trekkmotoren og drivverket dersom drivforbindelsen til tannhjulet med utgangsakselen, henholdsvis drivakselen, fremviser en tanndrivreim.

Den ovenfor nevnte styringen av motorene kan forbedres dersom i det minste én posisjonssensor blir anordnet for fastsettelse av kabelhevningen.

Ved et krystalldyrkningsanlegg er det ved enden av trekkabelen anordnet en kimekrystallholder. Dermed kan posisjonssensoren være utformet som posisjonsendebryter i den høyeste posisjonen til holderen.

Anleggsstyringen er derved slik innrettet at den kan fastsette den til en hver tid aktuelle hevningen til holderen med utgangspunkt i denne høyeste posisjonen til holderen, der oppnåelsen av denne posisjonen blir fastsatt ved hjelp av posisjonsendebryteren, og signalene til inkrementgiveren.

Et utførelseseksempel av oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet ved hjelp av figur 1.

Såfremt elementer fra teknikkens stilling, som beskrevet i figur 2, også er til stede i fremstillingen i figur 1, henvises det til det som er beskrevet ovenfor.

Som vist i figur 1 er en hulaksel 14 forbundet med den øvre dekningen til slusekammeret 18 til krystalltrekkingsanlegget over et konvensjonelt utformet dreibart lager. En vakuumtett akselgjennomføring 19, eksempelvis med en radialakseltetningsring eller en ferrofluidsk tetning, skiller atmosfæren i det indre av krystalltrekkingsanlegget fra omgivelsesatmosfæren. Hulakselen 14 blir over en tanndrivreim 20 drevet av en som rotasjonsmotor 11 betegnet motor, eksempelvis en omdreiningstallregulert servomotor.

På hulakselen 14 er kabelviklingsmekanismen 15 festet, som er innbygget i et vakuumtett, sylindrisk hus 21. Hulakselen 14 er likeledes koaksialt omgitt av et tannhjul 16 som er utformet som en hulaksel, som er dreibart opplagret overfor den førstnevnte hulakselen 14. Dobbelttannhjulet 16 blir drevet over en tanndrivreim 22, av en som trekkmotor 10 betegnet motor, eksempelvis en omdreiningstallregulert servomotor. Samtidig overfører dobbelttannhjulet 16 mekanisk energi til kabelviklingsmekanismen 15 over en tanndrivreim 23, når det blir beveget med et bestemt omdreiningstall av trekkmotoren 10, hvilket omdreiningstall avviker fra omdreiningstallet til hulakselen 14.

Kabelviklingsmekanismen 15 består av en horisontalt anordnet kabeltrommel 9 som over et skruehjuldriwerk 24 blir drevet av en hjelpeaksel 25, som på sin side blir drevet av dobbelttannhjulet 16 over tanndrivreimen 23. Hjelpeakselen 25 kan være ført i det vakuumtette, sylindriske huset 21, gjennom en vakuumtett akselgjennomføring 26, eksempelvis ved hjelp av en radialakseltetningsring eller en ferrofluidisk tetning. I stedet for tanndrivreimen 20, 22, 23 kan det også anvendes et tannhjuldrivverk.

Trekkabelen 7 som løper ut fra kabeltrommelen 9 kan være ført over en førerulle 27 for å oppnå en forbedret sentrering og justerbarhet av innløpspunktet til trekkabelen 7 i krystalltrekkingsanlegget. Kabeltrommelen 9 kan imidlertid også være vertikalt innrettet og selv være drevet over en tanndrivreim eller et tannhjulsdrivverk, hvorved i det minste en førerulle da er nødvendig for å vende trekkabelen 7 som forløper i en horisontal flate fra kabeltrommelen 9, til den vertikale retningen.

For innstilling av kabelomdreiningstallet, altså omdreiningstallet som trekkabelen dreier om den vertikale aksen med, er det ved den beskrevete utførelsesformen kun nødvendig å ta hensyn til motoromdreiningstallet til rotasjonsmotoren 11 og transmisjonen til tanndrivreimen 20. For innstilling av heve-, henholdsvis senkehastigheten til trekkabelen 7 er det i tillegg til omdreiningstalldifferansen til hulakselen (hulakselen 14, dobbelttannhjulet 16), nødvendig å ta hensyn til transmisjonen til tanndrivreimen 23, transmisjonen til skruehjuldriwerket 24, samt omkretsen til kabeltrommelen 9.

For fastsettelse av omdreiningstallet til hulakselen 14, 16, må det tas hensyn til motoromdreiningstallet til motorene 10, 11, samt transmisjonen til tanndrivreimene 20, 22. Ved kjente transmisjonsoverføringer kan imidlertid generelt heve-, henholdsvis senkehastigheten til trekkabelen 7 entydig beregnes ut fra motoromdreiningstallene til begge motorene 10, 11. Omvendt kan det nødvendige motoromdreiningstallet til trekkmotoren 10 beregnes ved ethvert kabelomdreiningstall, for å oppnå denønskete heve-, henholdsvis senkehastigheten til trekkabelen 7.

For å oppnå en forfølgelse av den vertikale absoluttposisjonen til kimekrystallholderen 6, kan akslingene til motorene 10, 11 være forbundet med hver sin inkrementalgiver. Anleggsstyringen fastsetter da i faste tidsintervaller vinkelen som er tilbakelagt av motorakslene, og beregner derfra veien som til en hver tid er tilbakelagt av kimekrystallholderen 6. Ved hver innkoblingsprosess av anleggsstyringen, må det da gjennomføres en referansetur med ka be I løftingen for å gjenfinne en vertikal referanseposisjon, hvorved kabelløftingen blir aktivert av kimekrystallholderen 6, frem til en referansebryter blir nådd, eksempelvis en lysport.

Claims

1. Anordning for krystalltrekking som omfatter et kabeldreiningshode som ved hjelp av en rotasjonsmotor, som er stedsfast på krystalltrekkingsanordningen, er dreibart om en vertikal dreieakse, hvorved det i kabeldreiningshodet er installert en kabelviklingsmekanisme som blir drevet av en trekkmotor over en utveksling, med hvilken kabelviklingsmekanisme en trekkabel som henger i den vertikale aksen er vertikalt bevegbar,karakterisert vedat trekkmotoren (10) også er arrangert stasjonært på krystalltrekkingsanordningen, og at utvekslingen mellom trekkmotoren (10) og kabelpåviklingsmekanismen (15) fremviser et overføringsledd, hvis dreieakse stemmer overens med den vertikale dreieaksen til kabeldreiningshodet (8).

2. Anordning i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat det er anordnet en anleggsstyring som stiller inn driftsbevegelsen til trekkmotoren (10) på en slik måte at driften av kabelviklingsmekanismen (15) som blir indusert av en dreining av kabeldreiningshodet (8) og den til denne knyttete vertikale bevegelsen til trekkabelen (7) blir kompensert, og at det blir oppnådd en hevehastighet for trekkabelen (7) kommunisert til anleggsstyringen.

3. Anordning i samsvar med patentkrav 2,karakterisert vedat begge motorene (10, 11) hver er tilkoblet en inkrementgiver, hvis signaler blir forsynt til anleggsstyringen.

4. Anordning i samsvar med et av de foregående patentkravene,karakterisert vedat trekkabelen (7) er ført gjennom en hulaksel (14) som bærer kabeldreiningshodet (8), og at overføringsleddet er dreibart opplagret på hulakselen (14).

5. Anordning i samsvar med et av de foregående patentkravene,karakterisert vedat overføringsleddet er et dobbelttannhjul (16) med to over hverandre liggende fortanninger, hvorved det nedre tannhjulet er koblet til utgangsakselen (14) til trekkmotoren og det øvre tannhjulet er koblet til en hjelpeaksel (25) til kabelpåviklingsmekanismen (15).

6. Anordning i samsvar med patentkrav 5,karakterisert vedat drivforbindelsen til tannhjulet med utgangsakselen (14) og/eller med driftsakselen i hvert tilfelle fremviser en tanndrivreim (20).

7. Anordning i samsvar med et av patentkravene 2 til 6,karakterisert vedat det er anordnet i det minste en posisjonssensor for fastsettelse av kabelhevningen.

8. Anordning i samsvar med patentkrav 7,karakterisert vedat det er anordnet en holder, spesielt en kimekrystallholder, ved enden av trekkabelen (7), og at posisjonssensoren er utformet som posisjonsendebryter i den høyeste posisjonen til holderen.

9. Anordning i samsvar med patentkrav 8,karakterisert vedat anleggsstyringen er slik innrettet at den ut fra den høyeste posisjonen til holderen, hvis fastsettelse oppnås ved hjelp av posisjonsendebryteren, og signalene til inkrementgiveren, kan fastsette den til enhver tid aktuelle løftingen av holderen.

10. Kabeldreiningshode for en anordning for krysta Utrekk, som er roterbart om en vertikal rotasjonsakse ved hjelp av en rotasjonsmotor arrangert stasjonært på krystalltrekkingssystemet, hvorved en kabelviklingsmekanisme drevet av en trekkmotor via transmisjon er installert i kabeldreiningshodet, med hvilken kabelviklingsmekanisme en trekkabel opphengt i vertikalaksen er vertikalt bevegbar,karakterisert vedat transmisjonen mellom trekkmotoren (10) og kabelviklingsmekanismen (15) har et transmisjonselement hvis rotasjonsakse tilsvarer den vertikale rotasjonsaksen for kabeldreiningshodet (8), slik at det er mulig å arrangere trekkmotoren (10) stasjonært på krystalltrekkingssystemet.

11. Kabeldreiningshode i samsvar med krav 10,karakterisert vedat trekkabelen (7) er ført gjennom en hulaksel (14) som bærer kabeldreiningshodet (8), og at transmisjonselementet er montert roterbart på hulakselen (14).

12. Kabeldreiningshode i samsvar med krav 10 eller 11,karakterisert vedat transmisjonselementet er et dobbelt tannhjul (16) med to sett med tenner som ligger oppå hverandre, hvorved det nedre tannhjulet kan koples til utgangsakselen (14) av trekkmotoren og at det øvre tannhjulet kan koples til en hjelpeaksel (25) av kabelviklingsmekanismen (15).

13. Kabledreiningshode ifølge krav 12,karakterisert vedat drivforbindelsen med tannhjulet og utgangsakselen (14) og/eller drivakselen i hvert tilfelle har ei tanndrivreim (20).