DE4318361C2 - Stützvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stützvorrichtung, die einen Einkristallstab bei seiner Erzeugung durch tiegelfreies Zonenschmelzen in einer festen Position gegenüber einer Ziehspindel hält und mit mindestens drei Haltestangen aufgebaut ist, die symmetrisch zueinander und parallel zur Achse der Ziehspindel angeordnet und relativ zu dieser axial beweglich sind.

Derartige Stützvorrichtungen sollen z. B. in Anlagen für die industrielle Herstellung von Si-Einkristallstäben mit einem Durchmesser von ca. 8 cm bis 15 cm (3" bis 6") und einer Länge von etwa 1 m bis 1,5 m eingesetzt werden. Diese Stäbe haben dann ein Gewicht von bis zu 60 kg. Während ihrer Entstehung ist versetzungsfreies Kristallwachstum zu gewährleisten. Bei der Einleitung des Kristallwachstums wird ein Impfkristall verwendet, der an der Ziehspindel konzentrisch befestigt ist und auf dem ein sogenannter Dünnhals aufwächst, dessen Durchmesser wenige mm beträgt. Anschließend entsteht ein konischer Übergangsbereich. An diesem Kegel wird die Stützvorrichtung angesetzt, sobald dieser Bereich genügend abgekühlt ist. Dem kegelförmigen Übergangsbereich schließt sich der zylindrische Bereich des Kristallstabes an. Ein weiteres Anwendungsbeispiel mit ähnlichen Bedingungen stellt die Reinigung von Polykristallstäben dar, bei denen die Ausbildung eines Dünnhalses entfällt.

Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, ist aus der DE-25 48 050 bekannt. Die dort in Fig. 2 dargestellte und auf Seite 12, 2. Absatz näher erläuterte Ausführungsform einer Stützvorrichtung soll mit - als Haltestangen im Sinne der Erfindung dienenden - Gewindespindeln ausgerüstet sein, für deren Betätigung zum Zwecke der Abstützung des Einkristallstabes ein von unten her wirkender Mechanismus vorzusehen ist. Dessen Aufbau und Funktionsweise sind allerdings nicht dargestellt bzw. beschrieben.

In der DE 27 12 506, die eine Zusatzanmeldung zu der bereits erwähnten DE 25 48 050 ist, wird die dort beschriebene Vorrichtung dahingehend weitergebildet, daß zur weiteren Verbesserung der Stabilität beim Abstützen von sehr langen und dicken, versetzungsfreien Siliciumeinkristallen während des tiegelfreien Zonenschmelzens ein Gestänge verwendet wird, das aus drei über Drehgelenke zu betätigenden, symmetrisch angeordneten Schwenkarmen besteht und bei dem die Abstützung am Stabkonus durch elektromagnetische Kräfte bewirkt wird.

Das technische Problem, mit dem sich die Erfindung befaßt, liegt in der ersten Linie auf dem Gebiet der Antriebstechnik für die Betätigung der Stützvorrichtung. Die Haltestangen müssen an den Kegelbereich des entstehenden Kristallstabes in einer solchen Art und Weise herangeführt werden, daß bei deren Berührung nur minimale Kräfte auf den Kristall wirken, danach aber jeder Verkippung große Kräfte entgegengesetzt werden, ohne das sich die Position des Kristallstabes gegenüber der Ziehspindel auch nur geringfügig ändert. Weiterhin sind grundlegende Anforderungen bei einer Kristallherstellung bezüglich Reinheitsbedingungen zu beachten, d. h. die Konstruktion soll möglichst keine gas- und vakuumdicht auszubildenden Öffnungen zur Außenwelt erfordern und, soweit dies unumgänglich ist, jedenfalls wenig beanspruchte Durchführungen aufweisen, sowie außerdem mit Elementen aus solchen Werkstoffen aufgebaut sein, die nicht ausgasen. Schließlich sollen sich der Kristallstab nach seiner Fertigstellung und die Stützvorrichtung auf einfache Weise voneinander trennen lassen.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht bei einer Stützvorrichtung der eingangs genannten Art hierfür vor, daß die drei Haltestangen an ihren Fußpunkten auf einem Taumelplateauring angebracht und oberhalb davon in Buchsen einer mit der Ziehspindel fest verbundenen Aufnahme gleitend und bei schräg einwirkender Kraft klemmend geführt sind, und der Taumelplateauring über ein kardanisches Gelenk mit einer zeitweilig von der rotierenden Ziehspindel abkuppelbaren Hebespindel verbunden ist.

Die gewünschte Funktionsweise der erfindungsgemäßen Stützvorrichtung beruht darauf, daß beim Heranführen der Haltestangen an den Kegelbereich eine der drei Haltestangen als erste den Kegel berührt. Die Berührung des Kopfpunktes der ersten Haltestange läßt eine kraft senkrecht von der Kegelfläche auf die Haltestange einwirken, deren Gegenkräfte die Klemmung in ihrer Buchse zur Folge haben. Der Taumelplateauring wird an der Stelle des Fußpunktes dieser zuerst den Kegel des Kristallstabes berührenden Haltestange festgehalten, neigt sich also und bewirkt damit, daß die beiden anderen Haltestangen nacheinander in entsprechender Weise ihre Berührungspunkte am Kegel erreichen und in ihren Buchsen klemmen. In diesem Augenblick erhöht sich der Kraftaufwand, der für die axiale Bewegung der Haltestangen aufzubringen war und infolge der Klemmung der Haltestangen im wesentlichen in ihren Buchsenaufgeenommen wird. Der erhöhte Kraftaufwand bildet ein eindeutiges Kriterium dafür, den Vorgang des Heranführens der Haltestangen an den Kegel des Kristallstabes beenden zu können. Die Stützvorrichtung erfüllt nunmehr ihren eigentlichen Zweck.

Für den Aufbau dieser Stützvorrichtung können die benötigten Einzelteile aus Materialien hergestellt sein, die auch für den Aufbau der gesamten Zonenschmelzanlage verwendet werden, insbesondere Cr-Ni-Stahl, Cu bzw. Ag und andere übliche Metalle. Eine Durchführung zur Außenwelt wird allenfalls für die Betätigung der Kupplung zwischen Ziehspindel und Hebespindel benötigt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das kardanische Gelenk aus zwei Drehgelenken mit zueinander senkrecht verlaufenden Drehachsen - einem Drehgelenk zwischen dem Taumelplateauring und einem Zwischenring und dem anderen Drehgelenk zwischen dem Zwischenring und einer auf der Hebespindel geführten Mutter. Im gekuppelten Zustand rotiert also der Taumelplateauring synchron mit der Ziehspindel und verändert seine Höhe nicht. Allein für den Zeitraum, in dem die Stützvorrichtung an den Kegel des entstehenden Kristallstabes herangeführt wird, findet die relative axiale Bewegung gegenüber der Ziehspindel statt. Die Neigung des Taumelplateauringes kann zunächst beliebig sein und ändert sich entsprechend den Verhältnissen, die sich bei der Berührung der einzelnen Haltestangen an dem Kegel des Kristallstabes ergeben.

Hierbei ist es besonders vorteilhaft, die Mutter mit einem Anschlagkragen zu versehen, der den Kippwinkel des kardanischen Gelenks auf ca. 10° bis 15° begrenzt. Größere Neigungen des Taumelplateauringes treten in der Praxis nicht auf, da diese Maßnahme hauptsächlich dazu dient, Unregelmäßigkeiten am Konus auszugleichen.

Als vorteilhaft hat sich auch ergeben, die Haltestangen auf dem Taumelplateauring über jeweils eine Druckfeder abzustützen. Hiermit wird sowohl eine Auslenkbarkeit der Haltestangen an den Fußpunkten auf einfache Weise ermöglicht als auch eine Aufnahme des steigenden Kraftaufwandes gewährleistet, der nach Berührung aller drei Haltestangen am Kegel auftritt.

Bei Ausführungsformen der Erfindung ist es ohne Schwierigkeiten möglich, den Massenschwerpunkt des Taumelplateauringes unterhalb der Kardangelenkebene zu legen. Damit werden indifferente oder labile Lagen des Aufbaus der Stützvorrichtung im Zustand ohne Belastung vermieden.

Zur vollständigen Lösung der Antriebstechnik gehört auch eine technische Lehre für die Ausbildung der Kupplung. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, an der Hebespindel einen Flügel und ein in die Bahn dieses Flügels von außen her eingreifendes Halteorgan zum zeitweiligen Entkuppeln der Hebespindel von der Ziehspindel vorzusehen. Bei der Axialbewegung der Ziehspindel gleitet das Halteorgan am Flügel entlang. Die Länge des Flügels in axialer Richtung entspricht mindestens der Länge, um die der Kristallstab in der Zeit wächst, die für die Axialbewegung der Stützvorrichtung zwischen deren Ausgangs- und Arbeitsposition benötigt wird.

Ein Halteorgan, das mit einem solchen Flügel zusammenwirkt, kann als Kippspannwerk ausgebildet und an einer Rezipientenwand, vorteilhaft auf einer schwenkbaren, in der Rezipientenwand vakuumdicht geführten Achse angebracht sein.

Eine Ausführungsform der Erfindung und deren Funktionsweise werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt einer Anlage für tiegelfreies Zonenschmelzen mit den für die Erfindung wesentlichen Einzelheiten;

Fig. 2 eine Ansicht mit teilweise im Schnitt dargestellten Elementen des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Stütz­ vorrichtung;

Fig. 3 einen Querschnitt des Aufbaus gem. Fig. 2 in Höhe des Dünnhalses zwischen Keim und Kristall;

Fig. 4 und 5 Querschnitte des Aufbaus gem. Fig. 2 in Höhe des Taumelplateauringes mit einem Kippspannwerk in dessen Ruhe- bzw. Arbeitslage.

In einer Anlage für tiegelfreies Zonenschmelzen befindet sich ein in Fig. 1 dargestellter Vorratsstab 20 aus amorphem oder polykristallinem Silicium oder dgl., der mittels eines Induktors 21 erwärmt wird. Das als Schmelze 21 entstehende Material erstarrt unterhalb des Induktors 21 als Kristall 12. Der Durchmesser des Kristalls 12 hängt von dem Verhältnis der Vorschubgeschwindigkeit des Vorratsstabes 20 und der Ziehgeschwindigkeit des Kristalls 12 ab.

Zu Beginn des Ziehprozesses - Fig. 1 zeigt diesen in einem bereits fortgeschrittenen Stadium - befindet sich ein einkristalliner Keim 14 direkt unterhalb des Induktors 21, so daß die Schmelze 12 unmittelbar mit dem Keim 14 in Berührung kommt. Es bildet sich einkristallines Material aus, das mit zunächst hoher Ziehgeschwindigkeit als Dünnhals 13 ausgebildet wird und erstarrt. Infolge sich langsam verringernder Ziehgeschwindigkeit entsteht am unteren Ende des Kristalls 12 ein Kegel, an dem die erfindungsgemäße Stützvorrichtung angreift.

Diese Stützvorrichtung ist mit drei Haltestangen 1 aufgebaut, die symmetrisch zueinander und parallel zur Achse des Kristalls 12, auch Einkristallstab genannt, angeordnet sind. Buchsen in einer Aufnahme 9 sind so ausgebildet, daß in ihnen die Haltestangen 1 gleitend geführt, bei seitlicher Kraftkomponente durch den Kegel klemmend gehalten werden.

Zentrisch auf der Oberseite der Aufnahme 9 ist ein Keimhalter 15 ausgebildet. Unterhalb der Aufnahme 9 befindet sich für die Stützvorrichtung der Antrieb. Dieser wird im wesentlichen von einer Hebespindel 3 gebildet, die sich auf einem Schaft zwischen Aufnahme 9 und Ziehspindel 2 (vgl. Fig. 2) befindet, sodann von einer Mutter 5, die auf einem Außengewinde der Hebespindel 3 läuft, und einem kardanischen Gelenk. Dieses wird gebildet von einem Drehgelenk zwischen der Mutter 5 und einem Zwischenring 6 einerseits und andererseits von einem Drehgelenk zwischen dem Zwischenring 6 und einem Taumelplateauring 7. Der Taumelplateauring 7 trägt über jeweils eine Druckfeder 8 die drei Haltestangen 1 der Stützvorrichtung. Die Darstellung in Fig. 1 zeigt den Taumelplateauring 7 in einer geneigten Lage, die sich entsprechend der unterschiedlichen Höhenlage der Berührungspunkte zwischen den Kopfenden der drei Haltestangen 1 und dem konusförmigen Schaft des Kristalls 12 ergibt.

In der Fig. 2 ist die Stützvorrichtung gemäß der Erfindung und deren Antrieb in der Arbeits- und in der Ausgangslage - diese gestrichelt - dargestellt. Diese Darstellung erstreckt sich, gegenüber der in Fig. 1, auf etwas weiter unterhalb des Aufbaus befindliche Einzelheiten. Da in allen Figuren für selbe Teile auch die entsprechenden selben Beziehungsziffern verwendet werden, können sich die folgenden Erläuterungen auf vorstehend noch nicht erwähnte Details beschränken.

In der Ausgangslage befindet sich die Stützvorrichtung noch am unteren Ende der Hebespindel 3. Der Taumelplateauring 7 nimmt dort eine Lage in einer im wesentlichen horizontalen, d. h. senkrecht zur Achse des Kristalls 12 verlaufenden Ebene ein. Dies wird auf einfache Weise dadurch erreicht, daß der Massenschwerpunkt des Taumelplateauringes 7 unterhalb der Kardangelenkebene zu liegen kommt.

Der Schaft zwischen Aufnahme 9 und Ziehspindel 2 verbindet diese Teile kraftschlüssig. Synchron mit der Rotationsbewegung der Ziehspindel 2 rotiert also auch der Kristall 12. Ebenso rotiert die Stützvorrichtung sowohl in ihrer Ausgangs- als auch in ihrer Arbeitslage synchron mit der Ziehspindel 2, wie auch - ausgenommen die Hebespindel 3 und ein an dieser befestigter Flügel 4 - auf dem Weg zwischen Ausgangs- und Arbeitslage der Stützvorrichtung. Die Stützvorrichtung bewegt sich sowohl in der Ausgangs- als auch in der Arbeitslage in axialer Richtung ebenfalls gleichförmig mit der Bewegung der Ziehspindel 2 in dieser Richtung. Insbesondere in der Arbeitslage der Stützvorrichtung treten also keinerlei Bewegungsunterschiede zwischen Ziehspindel 2, Stützvorrichtung und Kristall 12 auf, während der axialen Bewegung der Stützvorrichtung aber auch keine Unterschiede in den synchronen Rotationsbewegungen, da ein Mitnehmer 10 (vgl. Fig. 3), der durch die Mutter 5 geht und oben in der Aufnahme 9 befestigt ist, sie zusammen mit dem Zwischenring 6 und dem Taumelplateauring 7 rotieren läßt. Das bedeutet, die Haltestangen 1 können, bezogen auf das völlig synchron rotierende System, rein translatorisch an den Konus des Kristalls 12 herangeführt werden.

Dazu ist an der Hebespindel 3 der oben schon erwähnte Flügel 4 vorgesehen, der bei Eingriff eines Halteorgans die Rotationsbewegung der Hebespindel 3 beendet. Damit tritt eine relative Rotationsbewegung zwischen der Hebespindel 3 und der auf deren Außengewinde laufenden Mutter 5 auf, die infolge des Gewindes in eine Axialbewegung zwischen Hebespindel 3 und Mutter 5 umgesetzt wird. Die Mutter 5 und alle an ihr nicht drehbar befestigten Teile der Stützvorrichtung werden also, je nach Drehrichtung der Ziehspindel 2, nach oben bzw. nach unten bewegt. Hat die Stützvorrichtung ihre gewünschte Endlage erreicht, wird der Flügel 4 wieder freigegeben.

Beim Heranführen der Haltestangen 1 an den Kegel des Kristalls 12 und insbesondere beim Berühren der Haltestangen 1 am Kristall 12 sind die Bewegungsvorgänge in der - hier allein interessierenden - axialen Richtung derart "sanft", daß das Wachstum des Kristalls 12 nicht beeinträchtigt wird. In der Arbeitslage der Stützvorrichtung befinden sich die Haltestangen 1 - wie weiter oben schon erwähnt - klemmend in den Buchsen der Aufnahme 9 und können dadurch ohne weiteres seitliche Kräfte des Kristalls 12 aufnehmen. Ist der Kristall 12 fertig, d. h. nach Beendigung des tiegelfreien Zonenschmelzens, wird der Kristall 12 der geöffneten Anlage von außen entnommen. Dazu können die Haltestangen 1 bis etwa zur Höhe des Dünnhalses 13 abgesenkt werden, indem die Drehbewegung der Ziehspindel umgekehrt wird.

Das in Fig. 2 dargestellte Halteorgan ist als Kippspannwerk 11 ausgebildet. Es ist an einem Schwenkhebel befestigt, der in einer vakuumdichten Durchführung 17 in einer zum Gehäuse eines Rezipienten für die Ausführung des tiegelfreien Zonenschmelzens gehörenden Wand 16 nach außen zu einem Getriebe 18 führt. Ein Motor 19 wird eingeschaltet, wenn das Kippspannwerk 11 in die Drehbewegungsbahn des Flügels 4 einschwenken soll. Das Kippspannwerk 11 gibt die Rotationsbewegung des Flügels 4 wieder frei wenn die Stützvorrichtung ihre Arbeitsposition erreicht hat und der Kraftaufwand, der auf die sodann bereits selbstklemmend in den Buchsen der Aufnahme 9 gehaltenen Haltestange 1 einwirkt, anssteigt. In der Fig. 4 und 5 sind die Ruhe- bzw. Arbeitspositionen des Kippspannwerkes 11 dargestellt. Mit Hilfe eines Motors 19 kann über ein Getriebe 18 das Kippspannwerk 11 in jeder beliebigen Position der Ziehspindel 2 in seine untere Stellung (Fig. 2) geschwenkt werden. Gibt es für eine Anlage eine bestimmte Züchtungstechnologie, daß immer an der gleichen Position der Ziehspindel 2 die Stützvorrichtung ausgelöst wird, dann ist es möglich, das Kippspannwerk 11 fest im Rezipienten zu installieren, so daß der Flügel 4, der eine spiralförmige Kurve nach unten vollführt, bei dieser festgelegten Ziehspindelposition mit seiner Unterkannte an das Kippspannwerk 11 angreift und die Stützvorrichtung aktiviert. Dadurch können die vakuumdichte Durchführung 17, das Getriebe 18 und der Motor 19 entfallen. Die Ziehspindelposition, in der die Stützvorrichtung ausgelöst wird, kann dann durch die Höhe des Kippspannwerkes 11 im Rezipienten 16 oder durch die Länge des Flügels 4 variiert werden.

Näherer Erläuterungen hierzu bedarf es nach den vorstehenden Ausführungen nicht.

Claims (8)

1. Stützvorrichtung, die einen Einkristallstab bei seiner Erzeugung durch tiegelfreies Zonenschmelzen in einer festen Position gegenüber einer Ziehspindel hält und mit mindestens drei Haltestangen aufgebaut ist, die symmetrisch zueinander und parallel zur Achse der Ziehspindel angeordnet und relativ zu dieser axial beweglich sind, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Haltestangen (1) an ihren Fußpunkten auf einem Taumelplateauring (7) angebracht und oberhalb davon in Buchsen einer mit der Ziehspindel (2) fest verbundenen Aufnahme (9) gleitend und bei schräg einwirkender Kraft klemmend geführt sind, und der Taumelplateauring (7) über ein kardanisches Gelenk mit einer zeitweilig von der rotierenden Ziehspindel (2) abkuppelbaren Hebespindel (3) verbunden ist.

2. Stützvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kardanische Gelenk aus zwei Drehgelenken mit zueinander senkrecht verlaufenden Drehachsen besteht - einem Drehgelenk zwischen dem Taumelplateauring (7) und einem Zwischenring (6) und dem anderen Drehgelenk zwischen dem Zwischenring (6) und einer auf der Hebelspindel (3) geführten Mutter (5).

3. Stützvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mutter (5) mit einem Anschlagkragen versehen ist, der den Kippwinkel des kardanischen Gelenks auf ca. 10° bis 15° begrenzt.

4. Stützvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltestangen (1) auf dem Taumelplateauring (7) über jeweils eine Druckfeder (8) abgestützt sind.

5. Stützvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Massenschwerpunkt des Taumelplateauringes (7) unterhalb der Kardangelenkebene befindet.

6. Stützvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Hebespindel (3) ein Flügel (4) und ein in die Bahn des Flügels (4) von außen her eingreifendes Halteorgan zum zeitweiligen Entkuppeln der Hebespindel (3) von der Ziehspindel (2) vorgesehen sind.

7. Stützvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteorgan als Kippspannwerk (11) ausgebildet und an einer Rezipientenwand (16) angebracht ist.

8. Stützvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kippspannwerk (11) auf einer schwenkbaren, vakuumdicht in der Rezipientenwand (16) geführten Achse angebracht ist.