WO2013164077A1 - Zonenschmelz-vorrichtung und verfahren zur modifikation von materialgefügen mittels zonenschmelzen - Google Patents

Zonenschmelz-vorrichtung und verfahren zur modifikation von materialgefügen mittels zonenschmelzen Download PDF

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WO2013164077A1
WO2013164077A1 PCT/EP2013/001233 EP2013001233W WO2013164077A1 WO 2013164077 A1 WO2013164077 A1 WO 2013164077A1 EP 2013001233 W EP2013001233 W EP 2013001233W WO 2013164077 A1 WO2013164077 A1 WO 2013164077A1
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unit
vertical axis
zone
laser beam
along
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PCT/EP2013/001233
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Inventor
Friedrich Fischer
Dirk Lindackers
Original Assignee
Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V.
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B13/00—Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting
    • C30B13/16—Heating of the molten zone
    • C30B13/22—Heating of the molten zone by irradiation or electric discharge
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B13/00—Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting
    • C30B13/32—Mechanisms for moving either the charge or the heater
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B17/00—Furnaces of a kind not covered by any preceding group
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D19/00—Arrangements of controlling devices
    • F27D2019/0093—Maintaining a temperature gradient

Definitions

  • Embodiments of the invention relate to a zone melting device in which the heat input takes place by means of a laser beam. Further embodiments of the invention relate to a method for modifying material structures by means of laser-assisted zone melting.
  • Zone melting or FZ floating zone methods are used in research and industry, for example, for the growth of single crystals.
  • a dispenser rod made of polycrystalline material is melted at one end and a single crystal is withdrawn from the resulting melt on the side opposite the dispensing rod.
  • the heat input into the melting zone for example, inductive or by light radiation from gas discharge or filament lamps.
  • EP 1 234 899 A2 relates to a zone melting apparatus in which the beam of a laser source is projected onto a dispensing rod via a mirror system. D.
  • a zone melting device comprises a receiving unit comprising a first rod and a second rod along a vertical Aligning axis.
  • a beam-directing unit directs a laser beam emitted by a laser source onto at least one of the rods and comprises a deflection unit with which the laser beam can be deflected along the vertical axis.
  • FIG. 1 shows schematically an embodiment of a zone melting device.
  • FIG. 2 schematically shows an embodiment of a deflection unit with a movable mirror.
  • FIG. 3A schematically shows an embodiment of a zone-melting device with laser source and a mirror system with two deflection mirrors.
  • FIG. 3B schematically shows an example of a vertical temperature profile in a melting zone according to a power-controlled laser source embodiment.
  • FIG. 4 schematically shows an embodiment of a zone melting device with a plurality of deflection units.
  • FIG. 5 shows schematically an embodiment of a positioning unit.
  • FIG. 1 relates to a zone melting device 100 having a receiving unit 110, which comprises a first receptacle 11 and a second receptacle 11. At the first receptacle 1 1 1 can be non-positively fasten a first rod 210 releasably.
  • the first receptacle 1 11 may be displaceable in a vertical direction defined by the longitudinal axis of the first bar 210 and / or rotatably supported about the longitudinal axis of the first bar 210.
  • the receiving unit 1 10 may also include controllable, acting on the first receiving part 11 1 engines and transmissions comprising a translational movement of the first receiving part 1 11 along the vertical direction and / or a allow rotational movement about the longitudinal axis of the first rod 210.
  • On the second receptacle 1 12 can be non-positively fasten a second rod 220 releasably.
  • the second receptacle 1 12 can be displaceable along the vertical direction and / or rotatably mounted about the longitudinal axis of the second rod 220.
  • the receiving unit 110 may include other motors and gears which act on the second receptacle 1 12 and allow a displacement of the second receptacle 112 along the vertical direction and / or a rotational movement about the longitudinal axis of the second rod 220 around.
  • the first and second receivers 11, 12 are arranged and aligned relative to one another such that the longitudinal axis of the first bar 210 is aligned with the longitudinal axis of the second bar 220, or the longitudinal axes of both bars 210, 220 coincide on the same vertical axis 200.
  • the first receptacle 1 11 for the first rod 210 (dispensing rod) may be arranged above or below the second receptacle 112 for the second rod 220.
  • a beam directing unit 120 directs and focuses a laser beam emitted from a laser source 300 onto at least a portion of the first bar 210, melting the material of the first bar 210 and between opposing end faces of the first and second bars 210 , 220 forms a fusion zone 250.
  • the first and second receptacles 1 1 1, 1 12 are immovable along the vertical axis and the beam-directing unit 120 is displaceable in the vertical direction.
  • the melt zone 250 with the beam straightening unit 120 travels along the first rod 210 in the direction of the first receptacle 11 1 and the second rod 220 extends in the same direction through melt-solidified material.
  • the first and the second receptacle 1 1 1, 1 12 are moved in the same vertical direction, so that the position of the melt zone 250 with respect to the fixed beam straightening unit 120 remains unchanged, the first rod 210 continuously melted and the second rod 220 continuously is pulled out of the melt.
  • At least one of the two bars 210, 220 may rotate during zone melting. For example, both bars 210, 220 rotate in opposite directions.
  • the first rod 210 has a first material structure and the second rod 220 has a second material structure, which results from the zone melting of the first material structure.
  • the first material structure is an amorphous or polycrystalline material structure and the second is a single crystal.
  • both material structures are single crystals, with the second material structure having a smaller one Pollution degree or less lattice defects than the first material structure.
  • the second rod 220 may include, in addition to the melt withdrawn portion, a base portion 221 (seed) as a support for the melt-solidified material.
  • the base portion 221 provides the desired material texture of the second rod.
  • the zone melting device 100 comprises an integrated laser source, wherein the beam directing unit 120 receives the laser beam generated by the laser source 300.
  • the beam directing unit 120 has a connecting device 121, to which a laser beam generated by an external laser source 300 is fed.
  • the connection device 121 is a plug which is standardized for the connection of an optical fiber cable 301, for example an F-SMA (fiber sub-miniature assembly).
  • the beam-directing unit 120 has a deflection unit 125, with which a laser beam fed into the beam-directing unit 120 can be deflected along the vertical axis 200. In operation of zone melting device 100, i.
  • the deflection unit 125 changes the position of the projection (location) of the laser beam at least along the vertical axis 200.
  • the deflector 125 dynamically deflects the laser beam in a user-specified manner, i.
  • the laser beam is periodically guided in a predetermined manner over a zone portion 230 of the vertical axis 200, the zone portion 230 at least a portion of the melt zone 250, the entire fusion zone 250, or may include sections of the first rod 210, the second rod 220 or both bars 210, 220 adjacent to the melt zone 250.
  • the embodiments of the present invention provide a variable vertical radiant energy profile on the bars 210, 220.
  • the vertically variable radiant energy profile allows for novel control of the zone melting process and new uses of the zone melting process. While in known zone melting devices material and environmental parameters dictate a vertical temperature profile in the melt, with the present embodiments the user has the possibility of manipulating the vertical temperature profile with otherwise identical material and environmental parameters and thus to influence the melting process and the process resulting from the process.
  • the zone melting device 100 further comprises a control unit 190.
  • the control unit 190 is, for example, a computer, a programmable logic controller, a microcontroller or a DSP (digital signal processor).
  • the controller 190 may include a user interface 192, such as a memory or input unit, through which the controller 190 may receive a predetermined beam power or temperature profile.
  • the beam directing unit 120 is controllably arranged and the control unit 190 controls the beam directing unit 120 in such a way that along the vertical axis 200 results in a user-specified, basically variable vertical beam power profile.
  • the control unit 190 has an interface 191, via which the control unit 190 controls the output power of the laser source 300.
  • the control unit 190 controls both the output power of the laser source 300 and the beam directing unit 120 in such a way that the zone section 230 gives a user-specified beam power profile.
  • the beam directing unit 120 is not freely controllable but, for example, drives a design-dictated periodic motion profile
  • the control unit 190 receives from the beam directing unit 120 a synchronization signal indicating in which phase of a given cycle the beam directing unit 120 is located.
  • the control unit 190 then controls the output power of the laser source 300 as a function of the synchronization signal from the beam directing unit 120 in such a way that a predetermined beam power profile along the vertical axis 200 results at the melt zone 250.
  • a temperature measurement unit 170 detects the temperature distribution within the fusion zone 250 and transmits the measured temperature to the control unit 190.
  • the control unit 190 can control the output power of the laser source 300 and / or the position of the laser beam by means of the f beam directing unit 120 in a manner such that in the melting zone 250, a user-defined temperature profile is established.
  • the temperature measuring unit 170 may be movably supported and positioned at least along the vertical axis 200 at various positions within the fusion zone 250. For example, the position of the temperature measuring unit 170 can be determined by the control unit 190.
  • a zone melting device 100 with temperature measuring unit 170 enables a power control of the laser beam synchronous with the position control of the beam and thus an in-situ realization of any temperature profiles over the entire melting zone 250.
  • the position-dependent power control of the laser in conjunction with the spatially resolved temperature measurement makes it possible to compensate for ever-changing and variable transmission factors influencing the heat transfer to the melt and rods along the rod axis, for example the absorption coefficients in the melt, the heat conductivity and capacity of rod material and melt, the heat emission and the heat transfer to the ambient atmosphere.
  • the deflecting unit 125 deflects the laser beam in a second direction intersecting the longitudinal axis of the bars 210, 220.
  • the second direction is, for example, a direction perpendicular to the longitudinal axis.
  • the laser source 300 has a high beam quality and controllability of the power.
  • the laser source 300 is a fiber laser.
  • the deflection unit 125 may be configured such that the laser beam also sweeps portions of the first and second bars 210, 220 outside the actual fusion zone 250.
  • a preheater for reducing the temperature gradient at the abrading edge of the dispensing rod or a post-heater for delayed cooling of the drawn rod to reduce undesirable perturbations in the material by thermal stresses or both can be dispensed with. Since the installation and operation of such components in a pressure chamber require a relatively high effort, the zone melting device can be listed according to such embodiments easier.
  • the temperature measurement unit 170 comprises a quotient pyrometer, wherein the operating wavelengths of the quotient pyrometer deviate from the wavelength of the laser beam.
  • the distance of the operating wavelengths to the wavelength of the laser beam is chosen so that the wavelength is outside the reception bandwidth of the quotient pyrometer.
  • the operating wavelengths of the quotient pyrometer differ by at least 50 nanometers from that of the laser.
  • an optical filter 171 may be arranged which is opaque to radiation components which are undesirable for the pyrometer and transparent to the operating wavelengths of the pyrometer.
  • the control unit 190 samples the laser source 300 for the duration of each temperature measurement.
  • the zone melting can take place in the ambient atmosphere.
  • the first and the second receptacle 1 1 1, 1 12 are provided within a closed process chamber 180, are fed into the process gases and / or process pressures greater or less of the ambient pressure can be generated.
  • the process chamber 180 may be made of transparent material, such as sapphire crystal.
  • the material of the process chamber 180 is pressure-resistant, opaque material, for example steel, and comprises a first window 181, which is transparent to the laser beam and possibly a second window 182, which is transparent at the operating wavelengths of a quotient pyrometer ,
  • zone melting device 100 includes a plurality of beam directing units 120 disposed about and aligned with vertical axis 200.
  • the beam-directing units 120 can be arranged at regular angular intervals.
  • the zone melting device 100 comprises two opposing beam-directing units 120, three beam-directing units 120, each arranged at an angle of 120 ° to each other, or four beam-directing units 120 arranged in pairs opposite each other and arranged in a cruciform manner.
  • the beam-directing units 120 can be connected to the same laser source 300 or be connected to independent laser sources 300.
  • the beam directing units 120 may be driven by the same or different control algorithms.
  • FIG. 2 relates to an embodiment of the beam directing unit 120 of FIG. 1.
  • the beam directing unit 120 has an interface 121 for a light cable.
  • the beam directing unit 120 may direct the received laser beam to a deflecting unit 125 as it is.
  • a beam expander 123 expands the laser beam received via the interface 121 to reduce the areal power of the laser beam, for example to a round cross-sectional area with a diameter between 10 mm and 20 mm, before the laser beam is directed to the deflector 125.
  • the deflection unit 125 comprises, for example, a mirror 125a.
  • the mirror 125a is rotatably mounted at least about a first axis 125c, the first axis 125c thus becoming a vertical axis 200 defined by the longitudinal axes of the bars 210, 220 is aligned so that the laser beam by the movement of the mirror 125a at different locations along the vertical axis 200 on at least one of the bars 210, 220 or the melt zone 250 is incident.
  • a focusing unit 127 in the beam path between the mirror 125a and the bars 210, 220 focuses the light reflected from the mirror 125a onto the bars 210, 220 and the fusion zone 250, respectively.
  • the focusing unit 127 may be a lens arrangement.
  • the focusing unit 127 is suitable for focusing the laser beam onto the focusing unit 127 at the same focusing distance for different angles of incidence of the laser beam.
  • the focusing unit 127 is an F-theta lens.
  • focusing unit 127 is a lens arrangement that is movable along its optical axis and whose movement along the optical axis can be synchronized to deflect mirror 125a so that the focus distance remains the same for different deflections of mirror 125a.
  • the laser beams emitted by the laser sources 300 are each transmitted separately via a light guide cable 305 to a beam directing unit 120.
  • the laser beam is expanded, thereby reducing the power density for the subsequent deflector 125.
  • the deflection unit 125 is designed as a 2D scanner with two mutually offset by 90 ° oscillating mirrors 125a, 125b, which are each driven by servomotors.
  • the deflection unit 125 deflects the laser beam along x- and z-directions, the z-direction being dictated by the longitudinal axis of the rods, and the x-direction being a direction parallel to the cross-sectional area of the Bars is.
  • a focusing unit 127 for example an F-theta lens, focuses the laser beam deflected by the deflecting unit 125 onto the melting zone 250 or the first or second bar 210, 220. With simple rotational movement of the two deflecting mirrors, the location of incidence of the laser beam is a Lissajous -Figur.
  • FIG. 3B schematically links the position control shown in FIG. 3A with a power control of the laser source.
  • the curve 301 represents a sinusoidal position signal U (t).
  • the maximum value of the position signal U (t) corresponds for example to a deflection between 5 and 60 degrees, for example of about 20 degrees.
  • the time-resolved deflection of the laser beam in the vertical direction corresponds to a sinusoidal signal.
  • the frequency of the sinusoidal position signal U (t) is for example up to 200 Hz.
  • Curve 302 shows an example of a periodic power control of the laser source synchronized to the reversal points of the curve 301, in which the power output of the laser source is between the second and the third Ninth of the period calculated from the lower edge of the melting zone 250 to the second rod 220 towards a maximum, significantly reduced between the third ninth and the eighth ninth and slightly raised in the eighth and ninth ninth near the first rod 210 again.
  • the temperature profile 303 results, for example Users have the opportunity to influence the temperature profile.
  • FIG. 4 shows an embodiment of a zone melting device 100 with four beam straightening units 120, which are arranged like a cross around a process chamber 180 and which are aligned with a melting zone 250 in the interior of the process chamber 180.
  • the beam directing units 120 may be connected to the same laser source or to independent laser sources.
  • the process chamber 180 is made of steel, for example, and provides for each of the beam directing units 120 a first window 181, which is largely transparent to the laser beam used. At least one second window 182 permits the temperature measurement with a temperature measuring unit 170 provided outside the process chamber 180.
  • FIG. 5 relates to a further group of embodiments of a beam directing unit 120.
  • the beam directing unit 120 has a positioning unit 126, for example a hydraulic device comprising a mirror or, as shown, a beam expander 123 connected to a connection unit 121 via a flexible optical fiber 122 moved parallel to the vertical axis 200.
  • the positioning unit 126 may follow a fixed movement pattern and output a synchronization signal or be completely controllable, so that the heat input into the fusion zone 250 is controllable at least along the vertical axis 200.
  • the positioning unit 126 may position a mirror or the beam expander 123 along two axes.
  • a focusing unit 127 focuses the A movement of the focusing unit 127 may be synchronized with that of the positioning unit 126.
  • the zone melting device can be used for pulling single crystals of conductive, semiconductive and non-conductive materials. It enables the growing of high-purity single crystals, ceramics, the production of ultrafine-grained microstructures from rapid solidification processes, nano-crystalline and amorphous microstructures as well as the production of layer systems from different microstructures, which at different temperature distributions result from melts of the same starting material.

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Abstract

Eine Zonenschmelz-Vorrichtung (100) umfasst eine Aufnahmeeinheit (110) für einen ersten und einen zweiten Stab, die entlang einer gemeinsamen vertikalen Achse (200) ausgerichtet sind. Eine Strahlrichteinheit (120) richtet einen von einer Laserquelle abgegebenen Laserstrahl auf eine Schmelzzone (250) zwischen dem ersten und dem zweiten Stab aus. Eine Ablenk- oder Positioniereinheit (125, 126) lenkt den Laserstrahl entlang der vertikalen Achse (200) aus. Dabei wird der Laserstrahl mindestens entlang der vertikalen Achse (200) gemäß einer Nutzervorgabe so geführt und/oder dessen Leistung so gesteuert, dass ein Energieeintrag entlang der vertikalen Achse (200) abhängig vom Ort auf der vertikalen Achse (200) ist.

Description

Beschreibung
Zonenschmelz-Vorrichtung und Verfahren zur Modifikation von Materialgefügen mittels
Zonenschmelzen
Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf eine Zonenschmelz-Vorrichtung, bei der der Wärmeeintrag mittels eines Laserstrahls erfolgt. Weitere Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf ein Verfahren zur Modifikation von Materialgefügen mittels Laser gestütztem Zonenschmelzen.
Zonenschmelzverfahren oder FZ (floating zone) Verfahren werden in Forschung und Industrie beispielsweise zur Züchtung von Einkristallen eingesetzt. Ein Spenderstab aus polykristallinem Material wird an einem Ende aufgeschmolzen und aus der entstehenden Schmelze auf der dem Spenderstab gegenüber liegenden Seite ein Einkristall abgezogen. Der Wärmeeintrag in die Schmelzzone erfolgt beispielsweise induktiv oder durch Lichtstrahlung aus Gasentladungs- oder Glühfadenlampen. Die EP 1 234 899 A2 bezieht sich auf eine Zonenschmelz-Apparatur, bei der der Strahl einer Laserquelle über ein Spiegelsystem auf einen Spenderstab projiziert wird. D. Sola et al.,„Study of the stability of the molten zone and the stresses induced during the growth of AI2O3-Y3AI5O12 eutectic composite by the laser floating zone technique", Elsevier, Journal of the European Ceramic Society 31 , 201 1 , S. 1211 -1218 benutzen eine Zonenschmelz-Apparatur, deren Spiegelsystem einen punktförmigen Laserstrahl mittels eines Refraxikons in einen Strahl mit ringförmigen Querschnitt umsetzt. Ein Parabolspiegel fokussiert den ringförmigen Strahl auf die Schmelzzone, so dass sich in der Schmelzzone eine über den gesamten Umfang homogene Temperaturverteilung ergibt. Mikio Geho et al., „Growth of terbium aluminum garnet (Tb3AI5Oi2; TAG) Single crystals by the hybrid laser floating zone machine"; Elsevier; Journal of Crystal Growth 267, 2004, S. 188-193 beschreiben eine Hybrid-Zonenschmelz- Apparatur mit einer Mehrzahl von symmetrisch um die Schmelzzone gruppierten Laserquellen und Halogenlampen.
Es besteht das Bedürfnis, die Qualität eines durch Zonenschmelzen gewonnenen Materialgefüges bezüglich Homogenität und Reinheit weiter zu verbessern. Die Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen genannt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Zonenschmelz-Vorrichtung eine Aufnahmeeinheit, die einen ersten Stab und einen zweiten Stab entlang einer vertikalen Achse ausrichtet. Eine Strahlrichteinheit richtet einen von einer Laserquelle abgegebenen Laserstrahl auf mindestens einen der Stäbe aus und umfasst eine Ablenkeinheit, mit der der Laserstrahl entlang der vertikalen Achse auslenkbar ist. Eine solche Zonenschmelz- Vorrichtung ermöglicht es, in einer während des Betriebs der Zonenschmelz-Vorrichtung zwischen den beiden Stäben ausgebildeten Schmelzzone die Temperaturverteilung entlang der vertikalen Achse zu beeinflussen und im Ergebnis das technologische Ergebnis des Verfahrens wesentlich zu verbessern.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen einander funktional entsprechende Einheiten beziehungsweise Strukturen. Elemente und Strukturen der Ausführungsformen lassen sich untereinander kombinieren.
Die Figur 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Zonenschmelz-Vorrichtung.
Die Figur 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Auslenkeinheit mit einem beweglichen Spiegel.
Die Figur 3A zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Zonenschmelz-Vorrichtung mit Laserquelle und einem Spiegelsystem mit zwei Ablenkspiegeln.
Die Figur 3B zeigt schematisch ein Beispiel für ein vertikales Temperaturprofil in einer Schmelzzone gemäß einer Ausführungsform mit leistungsgesteuerter Laserquelle. Die Figur 4 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Zonenschmelz- Vorrichtung mit mehreren Auslenkeinheiten.
Die Figur 5 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Positioniereinheit. Die Figur 1 bezieht sich auf eine Zonenschmelz- Vorrichtung 100 mit einer Aufnahmeeinheit 1 10, die eine erste Aufnahme 1 1 1 und eine zweite Aufnahme 1 12 umfasst. An der ersten Aufnahme 1 1 1 lässt sich kraftschlüssig ein erster Stab 210 lösbar befestigen. Die erste Aufnahme 1 11 kann in einer durch die Längsachse des ersten Stabs 210 definierten vertikalen Richtung verschiebbar und/oder um die Längsachse des ersten Stabs 210 drehbar gelagert sein. Die Aufnahmeeinheit 1 10 kann zudem steuerbare, auf den ersten Aufnahmeteil 11 1 wirkende Motoren und Getriebe umfassen, die eine translatorische Bewegung des ersten Aufnahmeteils 1 11 entlang der vertikalen Richtung und/oder eine rotatorische Bewegung um die Längsachse des ersten Stabes 210 ermöglichen. An der zweiten Aufnahme 1 12 lässt sich kraftschlüssig ein zweiter Stab 220 lösbar befestigen. Die zweite Aufnahme 1 12 kann entlang der vertikalen Richtung verschiebbar und/oder um die Längsachse des zweiten Stabes 220 drehbar gelagert sein. Die Aufnahmeeinheit 110 kann weitere Motoren und Getriebe aufweisen, die auf die zweite Aufnahme 1 12 wirken und eine Verschiebung der zweiten Aufnahme 112 entlang der vertikalen Richtung und/oder eine Drehbewegung um die Längsachse des zweiten Stabes 220 herum ermöglichen.
Die erste und zweite Aufnahme 1 11 , 1 12 sind so zueinander angeordnet und ausgerichtet, dass die Längsachse des ersten Stabs 210 mit der Längsachse des zweiten Stabs 220 fluchtet, beziehungsweise die Längsachsen beider Stäbe 210, 220 auf derselben vertikalen Achse 200 zusammenfallen. Die erste Aufnahme 1 11 für den ersten Stab 210 (Spenderstab) kann oberhalb oder unterhalb der zweiten Aufnahme 112 für den zweiten Stab 220 angeordnet sein.
Im Betrieb der Zonenschmelz- Vorrichtung 100 richtet und fokussiert eine Strahlrichteinheit 120 einen von einer Laserquelle 300 abgegebenen Laserstrahl mindestens auf einen Abschnitt des ersten Stabes 210, wobei das Material des ersten Stabs 210 schmilzt und sich zwischen einander gegenüberliegenden Stirnflächen des ersten und des zweiten Stabs 210, 220 eine Schmelzzone 250 ausbildet. Gemäß einer Ausführungsform sind die erste und zweite Aufnahme 1 1 1 , 1 12 entlang der vertikalen Achse unbeweglich und die Strahlrichteinheit 120 ist in vertikaler Richtung verschiebbar. Im Betrieb der Zonenschmelz- Vorrichtung 100 wandert die Schmelzzone 250 mit der Strahlrichteinheit 120 den ersten Stab 210 entlang in Richtung der ersten Aufnahme 11 1 und der zweite Stab 220 verlängert sich durch aus der Schmelze erstarrtes Material in derselben Richtung. Gemäß der dargestellten Ausführungsform werden die erste und die zweite Aufnahme 1 1 1 , 1 12 in derselben vertikalen Richtung verschoben, so dass die Position der Schmelzzone 250 gegenüber der fixierten Strahlrichteinheit 120 unverändert bleibt, der erste Stab 210 kontinuierlich abgeschmolzen sowie der zweite Stab 220 kontinuierlich aus der Schmelze gezogen wird. Mindestes einer der beiden Stäbe 210, 220 kann während des Zonenschmelzens rotieren. Beispielsweise rotieren beide Stäbe 210, 220 in gegenläufigen Richtungen.
Der erste Stab 210 weist ein erstes Materialgefüge auf und der zweite Stab 220 ein zweites Materialgefüge, das durch das Zonenschmelzen aus dem ersten Materialgefüge hervorgeht. Beispielsweise ist das erste Materialgefüge ein amorphes oder polykristallines Materialgefüge und das zweite ein Einkristall. Nach einem anderen Beispiel sind beide Materialgefüge Einkristalle, wobei das zweite Materialgefüge einen geringeren Verunreinigungsgrad oder weniger Gitterfehler aufweist als das erste Materialgefüge. Der zweite Stab 220 kann neben dem aus der Schmelze abgezogenen Abschnitt einen Basisabschnitt 221 (seed) als Unterlage für das aus der Schmelze erstarrte Material umfassen. Der Basisabschnitt 221 gibt beispielsweise das gewünschte Materialgefüge des zweiten Stabs vor.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Zonenschmelz-Vorrichtung 100 eine integrierte Laserquelle, wobei die Strahlrichteinheit 120 den von der Laserquelle 300 erzeugten Laserstrahl empfängt. Gemäß einer anderen Ausführungsform weist die Strahlrichteinheit 120 eine Anschlussvorrichtung 121 auf, an der ein von einer externen Laserquelle 300 erzeugter Laserstrahl eingespeist wird. Beispielsweise ist die Anschlussvorrichtung 121 ein zum Anschluss eines Lichtleitkabels 301 standardisierter Stecker, beispielsweise ein F-SMA (fiber sub-miniature assembly). Gemäß einer Gruppe von Ausführungsformen der Erfindung weist die Strahlrichteinheit 120 eine Ablenkeinheit 125 auf, mit der ein in die Strahlrichteinheit 120 eingespeister Laserstrahl entlang der vertikalen Achse 200 auslenkbar ist. Im Betrieb der Zonenschmelz-Vorrichtung 100, d.h. in-situ, verändert die Ablenkeinheit 125 die Position der Projektion (den Auftrittsort) des Laserstrahls mindestens entlang der vertikalen Achse 200. Während des Zonenschmelzvorgangs, d.h. beispielsweise bei andauernder Schmelze, lenkt die Ablenkeinheit 125 den Laserstrahl nach einer vom Nutzer vorgegebenen Art und Weise dynamisch aus, d.h. der Auftrittsort verändert sich in-situ bezogen auf eine Ruheposition, beispielsweise dem Mittelpunkt der Schmelzzone 250. Beispielsweise wird der Laserstrahl periodisch in einer vorgegebenen Weise über einen Zonenabschnitt 230 der vertikalen Achse 200 geführt, wobei der Zonenabschnitt 230 mindestens einen Teil der Schmelzzone 250, die gesamte Schmelzzone 250, oder neben der Schmelzzone 250 noch Abschnitte des ersten Stabes 210, des zweiten Stabes 220 oder beider Stäbe 210, 220 umfassen kann.
Anders als bekannte Zonenschmelz-Vorrichtungen ermöglichen die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein variables vertikales Strahlungsenergieprofil an den Stäben 210, 220. Das in vertikaler Richtung variable Strahlungsenergieprofil ermöglicht eine neuartige Steuerung des Zonenschmelzprozesses und neue Einsatzmöglichkeiten des Zonenschmelzprozesses. Während in bekannten Zonenschmelz-Vorrichtungen Material- und Umgebungsparameter ein vertikales Temperaturprofil in der Schmelze vorgeben, erhält der Anwender mit den vorliegenden Ausführungsformen die Möglichkeit, das vertikale Temperaturprofil bei sonst gleichen Material- und Umgebungsparametern zu manipulieren und damit Einfluss auf den Schmelzprozess und das aus dem Prozess hervorgehende Gefüge zu nehmen.
Nach einer Ausführungsform umfasst die Zonenschmelz- Vorrichtung 100 ferner eine Steuereinheit 190. Die Steuereinheit 190 ist beispielsweise ein Computer, eine speicherprogrammierbare Steuerung, ein Mikrokontroller oder ein DSP (digitaler Signalprozessor). Die Steuereinheit 190 kann eine Benutzerschnittstelle 192, etwa zu einer Speicher- oder Eingabeeinheit aufweisen, über die die Steuereinheit 190 ein vorgegebenes Strahlleistungs- oder Temperaturprofil empfängt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Strahlrichteinheit 120 steuerbar eingerichtet und die Steuereinheit 190 steuert die Strahlrichteinheit 120 in einer Weise, dass sich entlang der vertikalen Achse 200 ein vom Benutzer vorgegebenes, dem Grunde nach variables vertikales Strahlleistungsprofil ergibt. Gemäß anderen Ausführungsformen mit Laserquellen 300, deren Ausgangsleistung steuerbar ist, weist die Steuereinheit 190 eine Schnittstelle 191 auf, über die die Steuereinheit 190 die Ausgangsleistung der Laserquelle 300 steuert. Beispielsweise steuert die Steuereinheit 190 sowohl die Ausgangsleistung der Laserquelle 300 als auch die Strahlrichteinheit 120 in einer Weise, dass sich für den Zonenabschnitt 230 ein vom Benutzer vorgegebenes Strahlleistungsprofil ergibt. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Strahlrichteinheit 120 nicht frei steuerbar, sondern fährt beispielsweise ein konstruktionsbedingt vorgegebenes periodisches Bewegungsprofil, und die Steuereinheit 190 empfängt von der Strahlrichteinheit 120 ein Synchronisationssignal, das angibt, in welcher Phase eines vorgegebenen Zyklus sich die Strahlrichteinheit 120 befindet. Die Steuereinheit 190 steuert die Ausgangsleistung der Laserquelle 300 dann in Abhängigkeit des Synchronisationssignals von der Strahlrichteinheit 120 in einer Weise, dass sich an der Schmelzzone 250 ein vorgegebenes Strahlleistungsprofil entlang der vertikalen Achse 200 ergibt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfasst eine Temperaturmesseinheit 170 die Temperaturverteilung innerhalb der Schmelzzone 250 und überträgt die gemessene Temperatur zur Steuereinheit 190. Die Steuereinheit 190 kann die Ausgangsleistung der Laserquelle 300 und/oder gegebenenfalls die Position des Laserstrahls mittels der f Strahlrichteinheit 120 in einer Weise steuern, dass sich in der Schmelzzone 250 ein vom Benutzer vorgegebenes Temperaturprofil einstellt. Die Temperaturmesseinheit 170 kann beweglich gelagert sein und mindestens entlang der vertikalen Achse 200 auf verschiedene Positionen innerhalb der Schmelzzone 250 positioniert werden. Beispielsweise ist die Position der Temperaturmesseinheit 170 durch die Steuereinheit 190 bestimmbar. Eine Zonenschmelz-Vorrichtung 100 mit Temperaturmesseinheit 170 ermöglicht eine zur Lageregelung der Strahls synchrone Leistungssteuerung des Laserstrahls und damit eine Insitu-Realisierung beliebiger Temperaturprofile über die gesamte Schmelzzone 250. Die lageabhängige Leistungssteuerung des Lasers in Verbindung mit der ortsaufgelösten Temperaturmessung ermöglicht das Ausgleichen von sich stetig ändernden und entlang der Stabachse veränderlichen, die Wärmeübertragung auf die Schmelze und Stäbe beeinflussenden Übertragungsfaktoren, zum Beispiel der Absorptionskoeffizienten in der Schmelze, der Wärmeleitfähigkeit und -kapazität von Stabmaterial und Schmelze, der Wärmeemission und des Wärmeübergangs zur Umgebungsatmosphäre.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform lenkt die Ablenkeinheit 125 den Laserstrahl in einer zweiten, die Längsachse der Stäbe 210, 220 schneidenden Richtung aus. Die zweite Richtung ist beispielsweise eine zur Längsachse senkrechte Richtung. Damit lässt sich die Energie des Laserstrahls über die Breite der Schmelzzone verteilen und damit der Leistungseintrag in die Schmelzzone 250 über den Umfang der Stäbe homogenisieren, etwa um die Abhängigkeit des Leistungseintrages vom Auftreffwinkel auszugleichen.
Die Laserquelle 300 weist eine hohe Strahlgüte und Steuerbarkeit der Leistung auf. Gemäß einer Ausführungsform ist die Laserquelle 300 ein Faserlaser.
Die Ablenkeinheit 125 kann derart ausgelegt sein, dass der Laserstrahl auch Abschnitte des ersten und des zweiten Stabs 210, 220 außerhalb der eigentlichen Schmelzzone 250 bestreicht. Damit kann gemäß einer Ausführungsform auf einen Vorheizer zur Verminderung des Temperaturgradienten an der Abschmelzkante des Spenderstabs oder einen Nachheizer für ein verzögertes Abkühlen des gezogenen Stabs zur Reduzierung von unerwünschten Störungen im Material durch thermische Spannungen oder auf beides verzichtet werden. Da der Einbau und Betrieb solcher Komponenten in einem Druckraum einen vergleichsweise hohen Aufwand erfordern, kann die Zonenschmelz-Vorrichtung nach solchen Ausführungsformen einfacher aufgeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Temperaturmesseinheit 170 ein Quotienten- Pyrometer, wobei die Betriebswellenlängen des Quotienten-Pyrometers von der Wellenlänge des Laserstrahls abweichen. Der Abstand der Betriebswellenlängen zur Wellenlänge des Laserstrahls wird so gewählt, dass die die Wellenlänge außerhalb der Empfangsbandbreite des Quotienten-Pyrometers liegt. Beispielsweise weichen die Betriebswellenlängen des Quotienten-Pyrometers um mindestens 50 Nanometer von der des Lasers ab. Zwischen der Schmelzzone 250 und der Temperaturmesseinheit 170 kann ein optisches Filter 171 angeordnet sein, das gegenüber für das Pyrometer unerwünschten Strahlungsanteilen opak und für die Betriebswellenlängen des Pyrometers transparent ist. Gemäß einer anderen Ausführungsform tastet die Steuereinheit 190 die Laserquelle 300 für die Dauer jeweils einer Temperaturmessung aus.
Das Zonenschmelzen kann in der Umgebungsatmosphäre erfolgen. Gemäß einer Ausführungsform sind die erste und die zweite Aufnahme 1 1 1 , 1 12 innerhalb einer abgeschlossenen Prozesskammer 180 vorgesehen, in die Prozessgase zugeführt werden und/oder Prozessdrücke größer oder kleiner des Umgebungsdrucks erzeugt werden können. Die Prozesskammer 180 kann aus transparentem Material bestehen, beispielsweise aus Saphirglas. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist das Material der Prozesskammer 180 druckfestes, opakes Material, zum Beispiel Stahl, und umfasst ein erstes Fenster 181 , das gegenüber dem Laserstrahl transparent ist und ggf. ein zweites Fenster 182, das bei den Betriebswellenlängen eines Quotienten-Pyrometers transparent ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Zonenschmelz-Vorrichtung 100 mehrere Strahlrichteinheiten 120 auf, die um die vertikale Achse 200 herum angeordnet und auf diese ausgerichtet sind. Die Strahlrichteinheiten 120 können dabei in regelmäßigen Winkelabständen angeordnet sein. Beispielsweise umfasst die Zonenschmelz-Vorrichtung 100 zwei einander gegenüberliegende Strahlrichteinheiten 120, drei Strahlrichteinheiten 120, die jeweils in einem Winkel von 120 ° zueinander angeordnet sind, oder vier einander jeweils paarweise gegenüberliegende und kreuzförmig angeordnete Strahlrichteinheiten 120. Die Strahlrichteinheiten 120 können mit derselben Laserquelle 300 oder mit voneinander unabhängigen Laserquellen 300 verbunden sein. Die Strahlrichteinheiten 120 können mit dem gleichen oder mit unterschiedlichen Steuerungsalgorithmen angesteuert werden.
Die Figur 2 bezieht sich auf eine Ausführungsform der Strahlrichteinheit 120 der Figur 1. Die Strahlrichteinheit 120 weist eine Schnittstelle 121 für ein Lichtkabel auf. Die Strahlrichteinheit 120 kann den empfangenen Laserstrahl unverändert auf eine Ablenkeinheit 125 richten. Gemäß einer anderen Ausführungsform weitet ein Strahlaufweiter 123 den über die Schnittstelle 121 empfangenen Laserstrahl auf um die Flächenleistung des Laserstrahls zu reduzieren, beispielsweise auf eine runde Querschnittsfläche mit einem Durchmesser zwischen 10 mm und 20 mm, bevor der Laserstrahl auf die Ablenkeinheit 125 gerichtet wird. Die Ablenkeinheit 125 umfasst beispielsweise einen Spiegel 125a. Der Spiegel 125a ist mindestens um eine erste Achse 125c drehbar gelagert, wobei die erste Achse 125c so zu einer durch die Längsachsen der Stäbe 210, 220 definierten vertikalen Achse 200 ausgerichtet ist, dass der Laserstrahl durch die Bewegung des Spiegels 125a an unterschiedlichen Orten entlang der vertikalen Achse 200 auf mindestens einen der Stäbe 210, 220 oder die Schmelzzone 250 auftrifft. Eine Fokussiereinheit 127 im Strahlengang zwischen dem Spiegel 125a und den Stäben 210, 220 fokussiert das vom Spiegel 125a reflektierte Licht auf die Stäbe 210, 220 bzw. die Schmelzzone 250. Die Fokussiereinheit 127 kann eine Linsenanordnung sein. Gemäß einer Ausführungsform ist die Fokussiereinheit 127 dazu geeignet, den Laserstrahl für unterschiedliche Einstrahlwinkel des Laserstrahls auf die Fokussiereinheit 127 in derselben Fokusdistanz zu fokussieren. Gemäß einer Ausführungsform ist die Fokussiereinheit 127 eine F-Theta Linse. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Fokussiereinheit 127 eine Linsenanordnung, die entlang ihrer optischen Achse beweglich ausgeführt ist, und deren Bewegung entlang der optischen Achse zur Auslenkung des Spiegels 125a synchronisierbar ist, so dass die Fokusdistanz für unterschiedliche Auslenkungen des Spiegels 125a gleich bleibt.
Die Figur 3A bezieht sich auf eine weitere Ausführungsform mit n (z.B. n = 3, 4, 5) Laserquellen 300 von je 300 W Strahlungsleistung, z.B. Faserlasern, von denen nur einer dargestellt ist. Die von den Laserquellen 300 abgegebenen Laserstrahlen werden jeweils separat über ein Lichtleitkabel 305 zu einer Strahlrichteinheit 120 übertragen. In jeder Strahlrichteinheit 120 wird der Laserstrahl aufgeweitet und dabei die Leistungsdichte für die nachfolgende Ablenkvorrichtung 125 reduziert. Die Ablenkeinheit 125 ist als 2D-Scanner mit zwei um 90° gegeneinander versetzten Schwingspiegeln 125a, 125b ausgeführt, die jeweils von Servomotoren angetrieben werden. Die Betriebsfrequenz der Ablenkeinheit 125 beträgt einige einhundert Hz. Die Ablenkeinheit 125 lenkt den Laserstrahl entlang einer x- und einer z-Richtung aus, wobei die z-Richtung durch die Längsachse der Stäbe vorgegeben ist und die x-Richtung eine Richtung parallel zur Querschnittsfläche der Stäbe ist. Eine Fokussiereinheit 127, beispielsweise eine F-Theta Linse, fokussiert den von der Ablenkeinheit 125 abgelenkten Laserstrahl auf die Schmelzzone 250, bzw. des ersten oder des zweiten Stabs 210, 220. Bei einfacher rotatorischer Bewegung der beiden Ablenkspiegel zeichnet der Auftreffort des Laserstrahls eine Lissajous-Figur.
Die Figur 3B verknüpft schematisch die in der Figur 3A gezeigte Positionssteuerung mit einer Leistungssteuerung der Laserquelle.
Dabei repräsentiert die Kurve 301 ein sinusförmiges Positionssignal U(t). In Abhängigkeit der Amplitude des Positionssignals U(t) wird der der z-Richtung zugeordnete Ablenkspiegel der Ablenkeinheit 125 aus einer Ruheposition ausgelenkt. Der Maximalwert des Positionssignals U(t) entspricht beispielsweise einer Auslenkung zwischen 5 und 60 Grad, beispielsweise von etwa 20 Grad. Die zeitaufgelöste Auslenkung des Laserstrahls in vertikaler Richtung entspricht einem Sinussignal. Die Frequenz des sinusförmigen Positionssignals U(t) beträgt beispielsweise bis zu 200 Hz.. Die Kurve 302 zeigt ein Beispiel für eine periodische, zu den Umkehrpunkten der Kurve 301 synchronisierte Leistungssteuerung der Laserquelle, bei dem die Leistungsabgabe der Laserquelle zwischen dem zweiten und dem dritten Neuntel der Periode gerechnet von der Unterkante der Schmelzzone 250 zum zweiten Stab 220 hin ein Maximum aufweist, zwischen dem dritten Neuntel und dem achten Neuntel deutlich reduziert und im achten und neunten Neuntel nahe dem ersten Stab 210 wieder leicht angehoben wird. In Abhängigkeit von den die Wärmeübertragung auf die Schmelze und Stäbe beeinflussenden Übertragungsfaktoren, zum Beispiel der Absorptionskoeffizienten in der Schmelze, der Wärmeleitfähigkeit und der Wärmekapazität von Stabmaterial und Schmelze, der Wärmeemission und des Wärmeübergangs zur Umgebungsatmosphäre ergibt sich beispielsweise das Temperaturprofil 303. Die Ausführungsformen geben dem Anwender die Möglichkeit an die Hand, das Temperaturprofil zu beeinflussen.
Die Figur 4 zeigt eine Ausführungsform einer Zonenschmelz- Vorrichtung 100 mit vier kreuzartig um eine Prozesskammer 180 angeordneten Strahlrichteinheiten 120, die auf eine Schmelzzone 250 im Inneren der Prozesskammer 180 ausgerichtet sind. Die Strahlrichteinheiten 120 können mit derselben Laserquelle oder mit voneinander unabhängigen Laserquellen verbunden sein. Die Prozesskammer 180 ist beispielsweise aus Stahl und sieht für jede der Strahlrichteinheiten 120 ein erstes Fenster 181 vor, das gegenüber dem verwendeten Laserstrahl weitgehend transparent ist. Mindestens ein zweites Fenster 182 ermöglicht die Temperaturmessung mit einer außerhalb der Prozesskammer 180 vorgesehenen Temperaturmesseinheit 170.
Die Figur 5 bezieht sich auf eine weitere Gruppe von Ausführungsformen einer Strahlrichteinheit 120. Die Strahlrichteinheit 120 weist eine Positioniereinheit 126 auf, beispielsweise eine hydraulische Vorrichtung, die einen Spiegel oder, wie dargestellt, einen über einen flexiblen Lichtleiter 122 mit einer Anschlusseinheit 121 verbundenen Strahlaufweiter 123 parallel zur vertikalen Achse 200 bewegt. Die Positioniereinheit 126 kann einem festen Bewegungsmuster folgen und ein Synchronisationssignal ausgeben oder vollständig steuerbar sein, so dass der Wärmeeintrag in die Schmelzzone 250 mindestens entlang der vertikalen Achse 200 steuerbar ist. Gemäß einer Ausführungsform kann die Positioniereinheit 126 einen Spiegel oder den Strahlaufweiter 123 entlang zweier Achsen positionieren. Gemäß einer Ausführungsform fokussiert eine Fokussiereinheit 127 den Laserstrahl auf die Stäbe 210, 220 bzw. die Schmelzzone 250. Eine Bewegung der Fokussiereinheit 127 kann mit der der Positioniereinheit 126 synchronisiert sein.
Die Zonenschmelz-Vorrichtung entsprechend den genannten Ausführungsformen lässt sich zum Ziehen von Einkristallen aus leitenden, halbleitenden und nicht leitenden Materialien nutzen. Sie ermöglicht das Züchten von hochreinen Einkristallen, Keramiken, das Herstellen von ultrafeinkörnigen Gefügen aus Rascherstarrungsprozessen, von nano-kristallinen und amorphen Gefügen sowie die Herstellung von Schichtsystemen aus unterschiedlichen Gefügen, die bei unterschiedlichen Temperaturverteilungen jeweils aus Schmelzen aus demselben Ausgangsmaterial hervorgehen.

Claims

Patentansprüche
1. Eine Zonenschmelz-Vorrichtung, umfassend
eine Aufnahmeeinheit (1 10) für einen ersten und einen zweiten Stab, die entlang einer gemeinsamen vertikalen Achse (200) ausgerichtet sind; und
eine Strahlrichteinheit (120), die geeignet ist, einen von einer Laserquelle ausgestrahlten Laserstrahl auf eine Schmelzzone zwischen dem ersten und dem zweiten Stab auszurichten;
dadurch gekennzeichnet, dass
die Strahlrichteinheit (120) eine Ablenk- oder Positioniereinheit (125, 126) umfasst, mit der der Laserstrahl entlang der vertikalen Achse (200) auslenkbar ist.
2. Die Zonenschmelz-Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
dass die Ablenkeinheit (125) geeignet ist, den Laserstrahl in einer die vertikale Achse (200) schneidenden Richtung auszulenken.
3. Die Zonenschmelz-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ablenkeinheit (125) einen Spiegelscanner mit mindestens einem beweglichen Spiegel (125a) umfasst.
4. Die Zonenschmelz-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (190), die geeignet ist, eine leistungssteuerbare Laserquelle (300) und die Ablenkeinheit (125) auf Basis einer Benutzervorgabe zu steuern.
5. Die Zonenschmelz-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Temperaturmesseinheit (170) zur ortsaufgelösten Erfassung einer Temperatur eines Messorts auf der vertikalen Achse (200).
6. Die Zonenschmelz-Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die Temperaturmesseinheit (170) mindestens entlang der vertikalen Achse (200) verschiebbar vorgesehen ist.
7. Die Zonenschmelz-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesseinheit (170) ein Quotienten-Pyrometer umfasst, wobei eine Betriebswellenlänge des Quotienten-Pyrometers ungleich der Wellenlänge des Laserstrahls ist.
8. Die Zonenschmelz-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit (170) geeignet ist, den Laserstrahl für die Dauer einer Temperaturmessung auszutasten.
9. Die Zonenschmelz-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit (170) geeignet ist, eine Leistung des Laserstrahls und die Ablenkeinheit (125) auf Basis einer Benutzervorgabe und der Temperaturmessung so zu steuern, dass sich entlang der vertikalen Achse ein vorgegebenes Temperaturprofil einstellt.
10. Die Zonenschmelz- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Strahlrichteinheiten (120) die geeignet sind, mehrere von einer oder mehreren Laserquellen (300) ausgestrahlte Laserstrahlen entlang der vertikalen Achse (200) auszulenken.
11. Die Zonenschmelz- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch
eine Prozesskammer (180), in der die Stäbe und mindestens Teile der Aufnahmeeinheit (1 10) angeordnet sind.
12. Die Zonenschmelz- Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet
dass die Positioniereinheit (126) geeignet ist, einen im Strahlengang des Laserstrahls angeordneten Spiegel oder eine den Laserstrahl aufweitende Strahlaufweiteinheit (126) mindestens parallel zur vertikalen Achse (200) so zu verschieben, dass der von der Strahlrichteinheit (120) abgegebene Laserstrahl mindestens entlang der vertikalen Achse positionierbar ist.
13. Ein Verfahren zur Modifikation von Materialgefügen, umfassend
Ausrichten eines ersten und eines zweiten Stabes entlang einer vertikalen Achse (200) mittels einer Aufnahmeeinrichtung;
Ausrichten eines Laserstrahls auf mindestens einen der Stäbe, wobei zwischen den Stäben eine Schmelzzone aus dem Material mindestens einer der Stäbe entsteht; und Führen des Laserstrahls entlang der vertikalen Achse (200) mittels einer Auslenkoder Positioniereinheit gemäß einer Nutzervorgabe, so dass ein Energieeintrag entlang der vertikalen Achse (200) abhängig vom Ort auf der vertikalen Achse (200) ist.
14. Das Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch
ortsaufgelöstes Messen der Temperatur in der Schmelzzone (250); und
Steuern der Position des Laserstrahls entlang der vertikalen Achse (200) und/oder Steuern der Leistung des Laserstrahls so dass sich mindestens in der Schmelzzone (250) ein vorgegebenes Temperaturprofil entlang der vertikalen Achse (200) einstellt.
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