DE2430813B2 - Antrieb für eine Vorrichtung zur Einkristallzüchtung - Google Patents

Antrieb für eine Vorrichtung zur Einkristallzüchtung

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Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb für eine Vorrichtung zur Einkristallzüchtung mit einem runden Kristallhalte-Stab, der in einem hohlzylindrischen Schwimmer eines hydraulischen Zylinders vertikal und zentriert gelagert ist.
In gewissen Einrichtungen, insbesondere in Laborausrüstungen, ist es wünschenswert, Materialverlagerungen oder Verschiebungen mechanischer Teile langsam und regelmäßig stoß- und schwingungsfrei ablaufen zu lassen.
Dies ist besonders wichtig beim Züchten von gewissen Einkristallen, die Sondertechniken erfordern, wobei die Herstellungstechnik auf der Erzielung höchster Reinheit und reinster Kristallform basiert und die erwähnten Parameter die Arbeitsweise der Geräte bestimmen, in denen die erwähnten Einkristalle gebraucht werden.
Unter diesen äußerst wichtigen Einkristallen befinden sich die Einkristalle von Cadmiumtellurid CdTe, die insbesondere als Kernstrahlungsdetektoren Verwendung finden. Das durch Synthese aus Tellur und Cadmium erhaltene Cadmiumtellurid wird gereinigt und nach der sogenannten T.H.M.-Methode (Travelling Heater Method) zum Einkristall umgeformt, wobei eine Zone mit einer Schmelzlösung langsam längs dem polykristallinen Werkstoff bewegt wird. Auf diese Weise erfolgt die Reinigung durch die größere Löslichkeit der Verunreinigungen in der Schmelzphase, und es ist spontanes Einkristallwachstum möglich, wenn die Bewegungen der Schmelzzone mit großer Regelmäßigkeit verlaufen.
Um ein derartiges Wachstum zu fördern, ist es somit erforderlich, ein Quarzrohr mit dem polykristallinen Werkstoff in einem Ofen, der bei entsprechenden Temperaturen betrieben wird, langsam zu verschieben.
Die Anwendung einer derartigen Methode erfordert den Gebrauch einer speziellen Antriebsvorrichtung, deren Antrieb langsam (etwa hundert Mikron/Stunde), regelmäßig und unempfindlich gegen externe Schwingungen erfolgen muß.
Die bisher benutzte Vorrichtung bestand aus einem Rahmen, der aus einem verhältnismäßig schweren Tisch und vier auf dem Tisch montierten vertikalen Metallstäben, die an einem Ende im oberen Teil und am anderen Ende auf ungefähr 20 cm vom Tisch verstrebt waren, und schließlich aus einem Stab zusammengesetzt war, der auf einer der oberen Verstrebungen befestigt war, und zwei Antriebsscheiben trug. Zur Verwirklichung des Absenkens des Rohres z. B, wird es durch ein Kabel an seiner Basis heruntergezogen, das auf einer Antriebsscheibe mit elektrischem Antrieb, z.B. einem Motor, aufgewickelt ist und das Rohr wird an der Oberseite durch ein anderes Kabel festgehalten, das über zwei andere Antriebsscheiben geführt ist und an seinem Ende ein Gegengewicht trägt
Eine derartige Vorrichtung reicht nicht aus. In Wirklichkeit geben die durch den Motor ausgelösten, vom Rahmen verstärkten und vom Rohr über die Antriebsscheiben und das obere Kabel weitergeleiteten Schwingungen eine ruckweise und sehr unregelmäßige Verschiebungsbewegung; außerdem bilden sich unerwünschte Schwingungen, die hauptsächlich durch die Aufhängung verursacht werden. Das Aufwickeln des Kabels auf eine Antriebsscheibe gibt auch Schwierigkeiten, weil" die Oberfläche des Kabels durch die Beschaffenheit des Materials unregelmäßig ist.
Die Erfindung hat die Aufgabe, die verschiedenen Nachteile zu verringern und eine Vorrichtung zu schaffen, die keine mechanischen Elemente aufweist, die Schwingungen oder spontan auftretende Reibungen erzeugen.
Die Erfindung betrifft einen Antrieb für eine Vorrichtung zur Einkristallzüchtung mit einem runden Kristallhalte-Stab, der in einem hohlzylindrischen Schwimmer eines hydraulischen Zylinders vertikal und zentriert gelagert ist.
Der Antrieb ist dadurch gekennzeichnet, daß der Stab auf der inneren Bodenfläche des Schwimmers drehbar gelagert ist, daß innerhalb des Schwimmers im Abstand um den Stab eine Kammer vorgesehen ist, deren Wände mit einer Vielzahl zur Innenwand des Schwimmers bzw. zum Stab gerichteter Düsen versehen sind, und daß auf der Kammer im Abstande vom Stab und konzentrisch zu ihm eine ringförmige Kammer angeordnet ist, deren Innenwand zum Stab hin gerichtete, gleich-schräggestellte Düsen aufweist.
Der Stab besteht vorzugsweise aus Glas.
Die Vorrichtung bietet den Vorteil, daß die Aufstellung von Fluidlagern langsame und regelmäßige Verschiebungen ohne Schwingungen oder Stöße ermöglicht. Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung ist es, daß damit eine langsame und rwgelmäßige vertikale Verschiebung zusammen mit einer Drehbewegung unabhängig von der vertikalen Verschiebung möglich ist; durch die Drehbewegung ist es möglich, die Asymmetrien während der Kristallisierung beim Gebrauch der Vorrichtung zur Einkristallzüchlung von Werkstoff zu verringern. Durch Variieren der zugeführten Gasmenge, die durch die ringförmige Kammer, mit der die erwähnte Bewegung geregelt wird, geführt wird, ist es möglich, diese Bewegung als Funktion der Kristallqualität des gewünschten Materials nach Bedarf zu beschleunigen oder abzubremsen.
Ein anderer Vorteil ist weiter, daß die Vorrichtune
einfach herstellbar und leicht bedienbar ist, und daß billige und gängige Fluide wie Luft und Wasser benutzt werden können.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in den Figuren dargestellten Beispiels näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtiing, und
F i g. 2 eine vereinfachte Unteransicht der ringförmigen Kammer für die Drehbewegung des zentralen Elements.
Der Einfichheit halber sind in den beiden Figuren die gleichen Teile mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
F i g. 1 zeigt einen Teil eines Ofens 1 für die Einlcristallzüchtung eines Werkstoffes. In dem erwähnten Ofen verschiebt sich ein Quarzrohr 2 mit einem kristallisierten Gemisch, das nach dem oben beschriebenen Verfahren langsam bewegt werden muß. Das erwähnte Rohr 2 kann ein einfacher Stab sein. Das Quarzrohr 2 setzt sich bis außerhalb des Züchtungsofens 1 mit einem zylindrischen Element 3 fort, daß zum Beispiel ein Glasstab sein kann. In der Mitte des unteren Endes 4 enthält der Glasstab 3 ein Kugellager 5, das sich auf einem erhöhten Teil 6 im Boden 7 eines Schwimmers 8 mit offener Zylinderform abstützt, wobei in dem Schwimmer 8 der Glasstab 3 steckt Der mit einem Gewicht, z. B. aus Blei, beschwerte Schwimmer 8 wird in eine Flüssigkeit 10 eingetaucht, die sich in einem Behälter 11 befindet und vorzugsweise Wasser ist. Das Niveau der im Behälter 11 enthaltenen Flüssigkeit 10 ist von der Flüssigkeitszufuhr durch ein Rohr 12 oder von der Flüssigkeitsabfuhr durch den Austritt eines anderen Rohres 13 abhängig. Die Flüssigkeitsabfuhr kann zum Beispiel durch Verdampfen oder auf irgend eine andere Weise erfolgen.
Für die Beschreibung ist der Betrieb der Vorrichtung J5 mit Verdampfung der Flüssigkeit gewählt. Während des Verdampfens der Flüssigkeit 10 sinkt das Niveau 14 der erwähnten Flüssigkeit 10 derart daß der Boden 7 des Schwimmers 8 heruntergeht und durch den vorspringenden Teil 6, der das Lager 5 am unteren Ende 4 des Stabes 3 trägt, ihn mit nach unten zieht. Wenn also die Flüssigkeit langsam und regelmäßig verdampft, geht infolgedessen der Stab 3 nach unten, wodurch auch das Quarzrohr 2 im ZUchtungsofen 1 heruntergeht.
Wenn Flüssigkeit zugegeben statt abgeführt wird, erzielt man damit die gleiche Bewegung, jedoch in umgekehrter Richtung. Denn in diesem Falle drückt die Flüssigkeit 10 den Boden 7 des Schwimmers 8 nach oben, der vorspringende Teil 6 des erwähnten Bodens 7 drückt das Lager 5 hoch und überträgt die aufsteigende Bewegung auf den Stab 3 und damit auf das Quarzrohr 2. Also wird das erwähnte Rohr 2 im Züchtungsofen 1 nach oben bewegt.
Im Raum zwischen dem Schwimmer 8 und dem Stab 3 befindet sich eine langgezogene Kammer 15, die den Stab 3 umgibt und eine Anzahl öffnungen mit Düsen 150, 151, 152, 153, 154, 155, 156 und 157 besitzt. Es sei hierbei bemerkt, daß einige dieser öffnungen senkrecht auf die Innenwandung 16 des Schwimmers 8 und andere öffnungen auf den Glasstab 3 gerichtet sind. Es ist bo weiter möglich, die öffnungen in bezug auf die Innenwandung 16 des Schwimmers 8 und auf den Glasstab 3 schräg anzuordnen.
Ein Fluid unter Druck, z. B. komprimierte Luft, wird durch ein Rohr 17 in einer Richtung F1 zugeführt, läuft in der Kammer 15 und durch die Düsen 150 bis 157 um, in deren Nähe das Fluid Fluidlager bildet; nachdem es sich in den Raum 1β, der vom Boden 7 des Schwimmers 8 und von der Kammer 15 begrenzt wird, wonach es durch die Rohre 19 in Richtung Fi' entweicht.
Da die Luft ununterbrochen umläuft, bewirken die Fluidlager in Höhe der Düsen die Zentrierung des Stabes 3 in bezug auf den Schwimmer 8. In Wirklichkeit umgibt das Fluid den Stab 3, der an seinem unteren Ende 4 bewegbar ist weil er sich mit dem Kugellager 5 auf dem Vorsprung 6 im Boden 7 des Schwimmers 8 abstützt; dadurch kann sich der Stab mit Hilfe des ihn umgebenden Fluids jederzeit äußerst genau in der Achse der Vorrichtung zentrieren.
Wenn die Flüssigkeit 10, in die der Schwimmer 8 eingetaucht ist, kontinuierlich entfernt wird, sinkt der Stab 3 ununterbrochen und regelmäßig ohne Stöße oder unerwünschte Reibung bei der Kristallisierung, die im Züchtungsofen 1 stattfindet.
Durch ein anderes Rohr 20 wird ein anderes Fluid unter Druck, z. B. auch komprimierte Luft, in Richtung der Pfeilspitze Fi in eine ringförmige Kammer 21 mit öffnungen, die mit Düsen 22 bestückt sind, eingeführt
Fig.2 zeigt die Bewegung des Fluids in der ringförmigen Kammer 21 längs dem Stab 3; der Einfachheit halber sind die verschiedenen Teile der ringförmigen Kammer nicht maßstabgerecht wiedergegeben. In dieser Figur ist ersichtlich, daß sich der Stab 3 unter dem Einfluß des Druckes der komprimierten Luft, die durch die Düsen eintritt, in der mit Fj bezeichneten Richtung zu drehen beginnt. Der Stab 3 wird also mit einer Drehbewegung angetrieben, wobei die Drehgeschwindigkeit durch Beeinflussung der Zufuhr und des Druckes der zugeführten Luft leicht regelbar ist. Eine gewisse Anzahl kleiner Öffnungen, die der Deutlichkeit wegen in Fig.2 nicht dargestellt sind, ermöglichen es der Luft, aus der ringförmigen Kammer nach der Ausdehnung zu entweichen, wobei die erwähnte Luft durch Kanäle in der in F i g. 1 vollständig dargestellten und in Fig.2 diagrammmäßig mit einem gestrichelten Pfeil angegebenen Richtung F'2 entweicht.
In F i g. I bezeichnet 23 die öffnung, durch die der Glasstab 3 gesteckt ist
Der erwähnte Behälter 11 ist an der Basis durch einen starren Boden 24 abgeschlossen und auf einer Platte 25 montiert, die die Stabilität der Vorrichtung gewährleistet und sich auf die Blöcke 26 stützt, die die durch die Umgebung erzeugten Schwingungen maximal absorbieren und ein gutes thermisches Gleichgewicht bewirken.
Die zwei Kammern, von denen die unterschiedlichen Teile bereits beschrieben wurden, ermöglichen einen langsamen und regelmäßigen stoßfreien Antrieb in einer vertikalen Richtung, nach oben oder nach unten, und weiter, daß neben der erwähnten vertikalen Verschiebung eine verhältnismäßig langsame Drehbewegung entsprechend dem auf den Stab ausgeübten Fluiddruck erreicht wird.
Wenn die Düsen der langgezogenen Kammer 15 in bezug auf die Innenwandung 16 des Schwimmers 8 und in bezug auf den Glasstab 3 schräg angeordnet sind, ist es bei NichtVorhandensein eines Preßluftumlaufs in der ringförmigen Kammer 21 trotzdem möglich, eine gewisse Drehung des Glasstabes zu erreichen; es ist andererseits somit nicht möglich, die Drehzahl des erwähnten Stabes beliebig zu regeln, da in diesem Falle die Selbstzentrierung des erwähnten Stabes sowie seine Drehung voneinander und vom gleichen Preßluftdruck abhängig sind.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung wurde aufgebaut, wobei der Stab aus Glas, der Schwimmer aus Plexiglas, der Behälter aus nichtrostendem Stahl und die
Kammern, in denen die Preßluft umläuft, aus Messing bestehen, als Flüssigkeit wurde Wasser verwendet, eine Gummipackung, die nicht in der Figur dargestellt ist, schloß den Boden des Behälters 11 einwandfrei ab, die Platte 25 war gegossen und die Blöcke 26 bestanden aus Kork.
Die charakteristischen Abmessungen betrugen:
Behälterhöhe 623 mm, Schwimmerhöhe 406 mm, Stablänge 616 mm, Flüssigkeitsraum 104 mm2.
Außerdem wurde als Abstand zwischen dem Glasstab 3 und jeder Düse der Kammer 15 mit langgezogener Form, 0,03 mm gewählt; er könnte jedoch genau so gut zwischen 0,005 und 0,05 mm gewählt werden; auch der
Abstand zwischen dem Glasstab 3 und jeder Düse der ringförmigen Kammer 21 wurde auf 0,03 mm angesetzt, könnte jedoch auch zwischen 0,005 und 0,05 mm gewählt werden. Für ein regelmäßiges Verdampfen der Flüssigkeit von 1 cm3 betrug die vertikale Verschiebung 0,1 mm und für einen Preßluftdruck von 1,2 bar betrug die Drehzahl 5 Umdrehungen in der Minute.
Derartige Vorrichtungen eignen sich insbesondere für die Züchtung von Kristallen, deren Wachstum äußerst langsam vor sich geht und bei denen jeder mechanische Kontakt mit der Außenseite der Vorrichtung vermieden werden muß.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Antrieb für eine Vorrichtung zur Einkristallzüchtung mit einem runden Kristallhalte-Stab, der in einem hohlzylindrischen Schwimmer eines hydraulischen Zylinders vertikal und zentriert gelagert ist dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (3) auf der inneren Bodenfläche (7) des Schwimmers (8) drehbar gelagert (S) ist, daß innerhalb des Schwimmers (8) im Abstand um den Stab (3) eine Kammer (15) vorgesehen ist, deren Wände mit einer Vielzahl zur Innenwand des Schwimmers (8) bzw. zum Stab (3) gerichteter Düsen (150... 155) versehen sind, und daß auf der Kammer (15) im Abstande vom Stab (3) konzentrisch zu ihm eine ringförmige Kammer (21) angeordnet ist, deren Innenwand zum Stab (3) hin gerichtete, gleich-schräggestellte Düsen (22) aufweist
2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Stab (3) aus Glas besteht
3. Antrieb nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet daß der Abstand zwischen dem Stab (3) und einer Düse (152; 154; 155) 0,005 bis 0,05 mm beträgt
4. Antrieb nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß der Abstand zwischen dem Stab (3) und einer Düse (22) 0,005 bis 0,05 mm beträgt.
DE2430813A 1973-06-28 1974-06-27 Antrieb für eine Vorrichtung zur Einkristallzüchtung Expired DE2430813C3 (de)

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