DE19932026A1

DE19932026A1 - Einrichtung zum Züchten von Kristallen mittels des Czochralski-Verfahrens, bei dem die Kristalle während des Züchtungsprozesses sowohl aus der Schmelze gezogen als auch um eine Achse gedreht werden

Info

Publication number: DE19932026A1
Application number: DE19932026A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Altekrueger; Tomas Baumecker; Werner Katzschner; Johann Scholler
Original assignee: Leybold Systems GmbH
Current assignee: Crystal Growing Systems GmbH
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2001-01-11
Anticipated expiration: 2019-07-10
Also published as: DE19932026B4; FI119699B; ITMI20001530A0; FI20001413A0; ITMI20001530A1; IT1318133B1; FI20001413L

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Züchten von Kristallen mittels des Czochralski-Verfahrens. Bei dieser Einrichtung werden die in einem Drehkopf befindlichen Leistungsaggregate, beispielsweise ein Antrieb für eine Seilwinde, kontaktlos mit Energie versorgt. Außerdem findet mit den im Drehkopf befindlichen Regelungs- und Datenverarbeitungseinrichtungen ein drahtloser Datenaustausch statt. Während die Energie auf induktivem Weg übertragen wird, können die Informationen oder Daten alternativ sowohl auf induktivem Wege über eine separate HF-Überstragungsstrecke als auch über eine optische Datenübertragungsstrecke übertragen werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Einkristalle für wissenschaftliche und technische Zwecke, z. B. Silizium-Kristalle für Transistoren und integrierte Schaltkreise werden durch Schmelzziehverfahren synthe tisch gewonnen. Unter diesen Schmelzziehverfahren hat das Czochralski-Verfahren besondere Bedeutung erlangt. Hierbei wird das polykristalline Ausgangsmaterial in einem Tiegel aus Quarz, Graphit oder Keramik aufgeschmolzen. In die Schmelze wird ein einkristalliner Keim derselben Substanz eingetaucht und unter ständiger Drehung - die für den Ausgleich von unsymmetrischen Temperaturverteilungen erforderlich ist - langsam hochgezogen. Gleichzeitig wird die Temperatur soweit erniedrigt, dass sich Material aus der Schmelze wegen der Unterkühlung an dem Keimling abscheidet.

Für die Drehung und Anhebung des Kristalls sind jeweils geeignete Antriebe vorgese hen. Diese Antriebe müssen präzise und vibrationsfrei arbeiten, um eine hohe Kristall güte zu erreichen.

Das Hochziehen des Kristalls kann mittels einer starren Hubstange oder mittels eines flexiblen Seils erfolgen. Wird ein flexibles Seil verwendet, so kann dieses auf eine Trommel aufgewickelt werden. Gegenüber einer starren Hubstange hat ein auf eine Trommel aufwickelbares Seil den Vorteil, dass es auch auf relativ einfache Weise ge dreht werden kann. Hierbei wird die Trommel in einem sogenannten Drehkopf ange ordnet und mit diesem gedreht.

Es ist bereits ein Drehkopf für Kristallziehanlagen für die Durchführung des Czochral ski-Prozesses bekannt, in dem sich eine Seil-Wickeltrommel in einem drehbaren Ge häuse befindet, an das ein Motor für den Hubantrieb angeflanscht ist (DE 43 29 283 C2). Die elektrische Energie für den Antrieb dieses Motors, der sich innerhalb des ro tierenden Drehkopfes befindet, erfolgt dabei über ein Schleifringsystem.

Bei einem anderen bekannten Drehknopf (DE 198 07 859 A1) erfolgt die Zuführung elektrischer Energie zu dem Antrieb für die Seil-Wickeltrommel ebenfalls über ein Schleifringsystem.

Schließlich ist auch noch eine Vorrichtung für die Einkristallzüchtung mittels des Czochralski-Verfahrens bekannt, die mit einem Motor für die Drehung einer oberen Welle, durch die ein Impfkristall gedreht wird, und mit einem Motor für die Drehung einer unteren Welle, durch die ein Tiegel gedreht wird, versehen ist, wobei der Tiegel die Schmelze enthält, aus welcher der Kristall gezogen wird (Japanische Offenle gungsschrift Nr. 6-116084 vom 26. April 1994, Anmelde-Nr. 4-285114 vom 30. Sep tember 1992). Wenigstens einer der hierbei verwendeten Motoren ist ein bürstenloser Direktantriebsmotor, der an der Welle einen Rotor und diesem gegenüberliegend einen feststehenden Stator aufweist. Hierdurch wird vermieden, dass Bürsten als Gleitteile vorgesehen sind, deren Abrieb als Staub den Reinraum der Kristallziehvorrichtung verschmutzt.

Diese Vorrichtung enthält jedoch eine feste Ziehwelle für den Dreh- und Hub-Antrieb des Kristalls. Deshalb ist es bei dieser Vorrichtung nicht vorgesehen, dem elektrischen Antrieb für eine Seil-Wickeltrommel, der sich mit dem Drehknopf dreht, kontaktlos Energie zuzuführen. Außerdem weist diese Vorrichtung keine kontaktlose Informa tionsübertragung für die Regelung der Antriebe und dergleichen auf.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung für die Züchtung von Kristallen nach dem Czochralski-Verfahren zu schaffen, bei der die im Drehkopf befindlichen Bauteile wie Antriebsmotor für die Seil-Wickeltrommel, Sensoren, Akto ren und Regler, schleifringlos mit Energie versorgt werden können und ein schleif ringloser Austausch von Informationen, insbesondere von Steuerungs- und Regelungs signalen, in dem Drehkopf und aus dem Drehkopf heraus möglich ist.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, dass durch die kon takt- und verschleißfreie Übertragung sowohl der Versorgungsenergie als auch der Steuer- und Regelsignale die Zuverlässigkeit der Kristalldrehköpfe erhöht und der Wartungsaufwand verringert wird.

Die Erfindung betrifft somit eine Einrichtung zum Züchten von Kristallen mittels des Czochralski-Verfahrens. Bei dieser Einrichtung werden die in einem Drehkopf befind lichen Leistungsaggregate, beispielsweise ein Antrieb für eine Seilwinde, kontaktlos mit Energie versorgt. Außerdem findet mit den im Drehkopf befindlichen Regelungs- und Datenverarbeitungseinrichtungen ein drahtloser Datenaustausch statt. Während die Energie auf induktivem Weg übertragen wird, können die Informationen oder Daten alternativ sowohl auf induktivem Wege, über eine separate HF-Übertragungsstrecke als auch über eine optische Datenübertragungsstrecke übertragen werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung, bei der sowohl die Energieüber tragung in einem Kristall-Drehkopf als auch der Informationsaustausch in und aus dem Kristall-Drehkopf induktiv erfolgen;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der die Energieübertragung in einem Kristall-Drehkopf induktiv erfolgt, während der Informationsaus tausch in und aus dem Kristall-Drehkopf optisch durchgeführt wird.

In der Fig. 1 ist eine Prozesskammer 1 im Längsschnitt dargestellt, die aus einem unte ren Teil 2 und einem oberen Teil 3 besteht. Der untere Teil enthält einen Tiegel 4, in dem sich Schmelzgut 5 befindet. Um den Tiegel 4 herum ist eine Widerstandsheizung 6 angeordnet, mit welcher das Schmelzgut aufgeheizt werden kann. Der Tiegel 4 kann durch einen Antrieb 8 mittels einer Stange 9 angehoben und abgesenkt sowie in eine Drehbewegung versetzt werden. Das Anheben und Absenken erfolgt dabei in der Wei se, dass der Antrieb 8 entlang von Führungsstangen 10, 11 verschoben wird, welche auf dem Grundgestell 7 montiert sind.

Der obere Teil 3 der Prozesskammer 1 weist eine Öffnung 12 auf, durch welche ein Seil 13 geführt ist, welches einen Kristall 14 trägt, der aus der Schmelze 5 gezogen wird. Über ein Drehlager 15 ist eine Hohlwelle 16 mit dem oberen Teil 3 der Prozess kammer verbunden, wobei diese Hohlwelle 16 einen Kristall-Drehkopf 17 trägt.

Die geometrischen Größenverhältnisse von Kristall-Drehkopf 17 und Prozesskammer 1 sind in der Fig. 1 nicht naturgetreu dargestellt; vielmehr ist der Drehkopf 17 relativ größer gezeichnet.

Die Hohlwelle 16, einschließlich Seil 13 und Kristall 14, wird über einen Riementrieb 18 von einem Motor 19 in Rotation versetzt, der über einen Regler 20 gesteuert wird. Die Drehzahl des Motors 19 wird durch eine Messeinrichtung 21 erfasst und als Ein gangssignal auf den Regler 20 gegeben. Der Regler 20 wird außerdem von Signalen aus einem Prozesskontrollsystem 22 beaufschlagt. Statt eines Motors 19 mit Riemen antrieb kann auch ein Motor mit Direktantrieb vorgesehen sein, der dann in ein ent sprechendes Lager 15 eingepasst ist.

Die kontakt- und verschleißfreie Übertragung der benötigten Energie für die Kompo nenten im Inneren des rotierenden Drehkopfes 17 erfolgt mit Hilfe der folgenden Bauteile: Auf der Außenseite der Hohlwelle 16 befindet sich ein ringförmiger Rotor 23, der konzentrisch von einem ortsfesten Stator 24 umgeben ist. Der Stator 24 wird aus einer Wechselspannungsquelle 25 gespeist. Er überträgt die elektrische Versor gungsenergie, die aus der Wechselspannungsquelle 25 kommt, durch Induktion auf den Rotor 23. Rotor 23 und Stator 24 bilden zusammen einen Energieübertrager 26 nach dem Prinzip eines Transformators, der gestrichelt dargestellt ist.

Die dem Rotor 23 zugeführte elektrische Energie wird über Leitungen 27, 28 durch eine Wand des Drehkopfs 17 in den Drehkopf 17 hineingeführt. Da diese Leitungen 27, 28 in der gleichen Weise rotieren wie der Rotor 23 oder der Drehkopf 17, können sie sich nicht verdrillen.

In dem Drehkopf 17 kann die elektrische Energie allen Bauelementen zugeführt wer den, die elektrische Energie benötigen. Dazu gehört in erster Linie ein Antriebsmotor 29 für den Antrieb einer Seil-Wickeltrommel 30. Diesem Antriebsmotor 29 wird elek trische Energie über die Leitungen 27, 28 und einen Regler 31 zugeführt. Die Drehzahl und die Position des Antriebsmotors 29 werden durch eine Messeinrichtung 32 erfasst, auf den Regler 31 rückgeführt und auf eine Steuerelektronik 33 gegeben. Diese Steuer elektronik 33 erhält weitere Signale aus dem Regler 31 und gibt Signale an diesen ab.

Mit elektrischer Energie wird auch noch ein Netzgerät 35 über die Leitungen 27, 28 versorgt, das seinerseits verschiedene Bauteile im Drehkopf 17 mit Energie versorgt, beispielsweise den Regler 31, Sender, Empfänger oder sonstige Elektronik-Bausteine. Hierzu werden Signalspannungen moduliert und über die Energieversorgungsleitungen 27, 28 übertragen.

Diejenigen Signale, die für die Steuerung des Prozesses an die Bauelemente im Dreh kopf 17 abgegeben werden sollen, kommen aus dem Prozesskontrollsystem 22, das aus Gründen der Darstellung in der Fig. 2 als zwei verschiedene Blöcke dargestellt ist, aber in Wirklichkeit nur eine Einheit ist, und gelangen auf ein Modem 34. Dieses Modem 34 hat die Funktion eines Modulators und eines Demodulators. Die vom Modem 34 in Richtung Stator 24 abgegebenen Signale werden dem Leistungs-Wechselstrom der Wechselspannungsquelle überlagert und induktiv auf den Rotor 23 übertragen. Von dort gelangen die Signale über die Leitungen 27, 28 auf ein weiteres Modem 36, wel ches z. B. von einem Endschalter 39, der die obere Endlage des Kristalls erfasst, sowie von einem Endschalter 38, der die unterste Position des Kristalls erfasst, Positions signale erhält. Dieses Modem 36 ist ferner mit der Steuerelektronik 33 verbunden, mit der es Daten austauscht. Über eine Leitung 37 gibt das Modem 36 auch Signale an den Regler 31 ab.

Mit Hilfe des Übertragers 26 ist es somit möglich, sowohl elektrische Energie als auch Daten kontaktlos zu übertragen. Die Modulationsverfahren für die Übertragung von Daten über Leistungsnetze werden nicht beschrieben, da sie seit langem bekannt sind (vgl. z. B. Buchhold/Happoldt: Elektrische Kraftwerke und Netze, 4. Auflage, 1963, S. 379, Abschnitt G.: Tonfrequenz-Rundsteuerung). Bei neueren Verfahren werden in der Regel pulsmodulierte Signale verwendet, vorzugsweise pulscodemodulierte digitale Signale.

In der Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Übertragung der elektrischen Leistung auf die gleiche Weise erfolgt wie bei der Aus führungsform der Fig. 1. Die gleichen Bauteile sind deshalb mit den gleichen Bezugs zahlen versehen. Der elektrische Energieübertrager 26 hat bei dieser Ausführungsform die ausschließliche Funktion der Leistungsübertragung. Daten und andere Informatio nen werden getrennt hiervon übertragen, und zwar auf optischem Weg.

Das Prozesskontrollsystem 22 ist mit einem optischen Sender 40 und einem optischen Empfänger 41 verbunden. Zwischen beiden befindet sich ein teildurchlässiger Spiegel 42, der die vom Sender 40 kommenden optischen Signale zu einem bestimmten pro zentualen Anteil durchlässt, sodass diese durch ein Schauglas 43 im Kristall-Drehkopf 17 auf einen weiteren teildurchlässigen Spiegel 44 gelangen, von wo aus sie auf einen Empfänger 45 umgelenkt werden, der die optischen Signale in elektrische Signale umwandelt und auf die Elektronik 33 gibt. Die in der Einrichtung 32 erfassten Positio nen und Drehzahlen des Antriebs 29 werden über eine Datenleitung 46 einem Sender 47 zugeführt, der die elektrischen Signale in optische Signale umwandelt und diese auf den teildurchlässigen Spiegel 44 gibt, von wo aus sie auf den teildurchlässigen Spiegel 42 und dann auf den Empfänger 41 gelangen. Dieser Empfänger 41 wandelt die opti schen Signale wieder in elektrische Signale um und gibt diese auf das Prozesskontroll system 22.

Über den Sender 47 gelangen auch noch Informationen der Endschalter 39, 38 zum Prozesskontrollsystem. Diese Endschalter definieren die höchste und tiefste Kristallpo sition. Sie werden durch ein Untersetzungsgetriebe betätigt, das mit der Seiltrommel 30 verbunden ist. Da die Position der Seiltrommel 30 mit der Kristall-Position korre liert, können auf diese Weise die oberen und unteren Positionen des Kristalls festgelegt werden. Der Sender 40 und der Empfänger 41 sind vorzugsweise sogenannte Opto koppler mit einer jeweils eigenen Energieversorgung 48, 49. Diese Optokoppler kön nen ortsfest angeordnet sein, d. h. sie müssen nicht die Drehbewegung des Kristall- Drehkopfs 17 mitmachen. Die zwischen den beiden teildurchlässigen Spiegeln verlau fenden Lichtstrahlen oder Impulse können sich naturgemäß nicht verdrillen, sodass eine problemlose Informationsübertragung möglich ist.

Eine schleifringlose Signalübertragung ist auch mittels Hochfrequenz-Empfängern und -Sendern möglich. Hierzu ist lediglich erforderlich, dass der Drehkopf aus einem Ma terial besteht, das Hochfrequenz-Signale durchlässt. Wird für die Energieübertragung anstelle eines Transformators oder Übertragers ein schleifringloser Motor verwendet, so ist darauf zu achten, dass am Rotor Spangen abgegriffen und auf die Leitungen 27, 28 geführt werden können. Die zusätzlich am Rotor abgegriffene Energie wirkt sich wie eine Lasterhöhung aus, sodass die Drehzahl des Motors exakt geregelt werden muss, damit aufgrund des Abgriffs für die Stromversorgung im Drehkopf keine Dreh zahlschwankungen auftreten.

Das Anheben und Drehen des Kristalls erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 mit einem Seil 13. Es könnte jedoch statt eines Seils eine Stange verwendet wer den, die durch einen Schneckenantrieb nach oben oder unten bewegt wird.

Claims

1. Einrichtung zum Züchten von Kristallen mittels des Czochralski-Verfahrens, bei dem die Kristalle während des Züchtungsprozesses sowohl aus der Schmelze ge zogen als auch um eine Achse gedreht werden, mit

1. 1.1 einem Drehkopf, der relativ zu einer Prozesskammer, in der sich die Schmelze befindet, drehbar ist und der
- 1. 1.1.1 leistungsverbrauchende Elemente, z. B. einen Antrieb zum Anheben eines Kri stalls, aufweist;
2. 1.2 eine Wechselstromquelle, welche die leistungsverbrauchenden Elemente mit elek trischer Energie versorgt,

gekennzeichnet durch

1. 1.3 eine erste Induktivität (23), die mit dem Drehkopf (17) verbunden ist, und
2. 1.4 eine zweite Induktivität (24), die ortsfest angeordnet und mit der Wechselstrom quelle (25) verbunden ist und die elektrische Energie induktiv auf die erste Induk tivität (23) überträgt;
3. 1.5 elektrische Verbindungsleitungen (27, 28) von der ersten Induktivität zu den lei stungsverbrauchenden Elementen (29, 35).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über die elektri schen Verbindungsleitungen (27, 28) auch Daten übertragen werden.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehkopf (17) eine lichtdurchlässige Stelle (43) aufweist, über die von einem außerhalb des Drehkopfs (17) angeordneten ortsfesten Prozesskontrollsystem (22) Daten auf opti schem Weg in den Drehkopf (17) und aus diesem heraus übertragen werden.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Daten mittels Hoch frequenzsendern und -Empfängern übertragen werden, die sich außerhalb bzw. innerhalb des Drehkopfs (17) befinden.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehkopf (17) eine Hohlwelle (16) aufweist, um den die erste Induktivität (23) gelegt ist, und dass die zweite Induktivität (24) konzentrisch um die erste Induktivität (23) angeordnet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (16) über einen Riementrieb (18) mit einem elektrischen Motor (19) verbunden ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (16) mit einem Direktantrieb gekoppelt ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eines der leistungs verbrauchenden Elemente im Innern des Drehkopfs (17) ein Antrieb (29) für eine Seilwinde (30) ist, an deren Seil (13) sich der Kristall (14) befindet.

9. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Drehkopf (17) und außerhalb des Drehkopfs (17) jeweils ein Modem (36 bzw. 34) zur induktiven Übertragung von Steuerungs- und Regelungssignalen vorgesehen ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des Dreh kopfs (17) ein Sender (40) und ein Empfänger (41) für optische Signale vorgesehen sind, die mit einem Prozesskontrollsystem (22) in Verbindung stehen, und dass ein teildurchlässiger Spiegel (42) oberhalb der lichtdurchlässigen Stelle (43) angeord net ist, der die vom Sender (40) kommenden optischen Signale durch die licht durchlässige Stelle (43) in den Drehkopf (17) lenkt und der die aus dem Drehkopf (17) kommenden optischen Signale auf den Empfänger (41) lenkt.

11. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Drehkopf (17) ein Sender (47) und Empfänger (45) für optische Signale vorgesehen ist, wobei unterhalb der lichtdurchlässigen Stelle (43) ein teildurchlässiger Spiegel (44) ange ordnet ist, der die vom Sender (47) kommenden optischen Signale durch die licht durchlässige Stelle (43) nach außen lenkt und der die von außen durch die licht durchlässige Stelle (43) kommenden optischen Signale auf den Empfänger (45) lenkt.

12. Einrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl und die Position des Motors (19) erfasst und zur Regelung des Motors (19) herangezogen wird.

13. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl und die Position des Antriebs (29) erfasst und zur Regelung des Antriebs (29) herange zogen wird.

14. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein leistungsver brauchendes Element im Innern des Drehkopfs (17) ein Netzgerät (35) ist, das mit der von der ersten Induktivität (23) kommenden Wechselspannung gespeist wird und das eine Gleichspannung für die Versorgung von Modems (34, 36), Reglern (31) und dergleichen abgibt.

15. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Direktantrieb nicht nur zum Antrieb der Hohlwelle (16), sondern auch zur Übertragung von elektrischer Energie und von Daten verwendet wird.