DE1056841B - Elektromagnetisches Ruehrverfahren - Google Patents

Description

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INTERNAT. KL. C 22 £

W 19212 VI /4Od

AKMELDETAG: 11. JUNI 1956

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
ACSLEGESCHRIFT:

6. Sl A I 1 9 5 9

Die Erfindung bezieht sich auf elektromagnetische Rührveriahren und eignet sich zur "Verwendung beim Umrühren von Flüssigkeiten bei erhöhten Temperaturen, wenn eine Verwendung von mechanischen-Rührwerken unerwünschte Verunreinigungen der Flüssigkeit verursachen würde oder aus anderen Gründen unzweckmäßig wäre.

Die hier beschriebene Erfindung verwendet eine Gegenkraft (reactive force), die sich aus der Wechselwirkung zwischen einem durch das zu rührende Material fließenden elektrischen Strom und einem in einem Winkel relativ zur Stromflußrichtung, quer zum flüssigen Material angelegten Magnetfeld ergibt. Verfahren, bei denen flüssige Materialien durch eine Gegenkraft suspendiert werden können, die sich aus der Wechselwirkung zwischen einem durch die Flüssigkeit fließenden Strom un.d einem über der Flüssigkeit angelegten magnetischen Feld ergeben, sind an sich bekannt. Bei derartigen Verfahren ist es wichtig, daß di-e rückwirkende Kraft oder Gegenkraft gleichförmig oder .-ymmetriscli ist, um eine Bewegung des flüssigen Körpers als Ganzes zu liefern.

In den hier dargelegten Verfahren ist es zum Erzeugen einer Flüssigkeitsströmung in dem Körper erforderlich, daß die das Fließen verursachenden Kräfte unsymmetrisch werden. Die allgemeine Art, in der eine solche Unsymmetrie innerhalb des flüssigen Körpers erzeugt wird-, ergibt sich aus der Verwendung eines magnetischen Feldes, das nicht gleichförmig über die Länge de? Körpers ist und sich in Wechselwirkung mit einer über die Querschnittsfläche des Körpers gleichförmigen Stromdichte 'befindet. Da die Gegenkraft dem Produkt aus dem Feld und der Komponente des StromflusM?s proportional ist, die gegen den Uhrzeigersinn um einen Winkel von 90° gegen das Feld vorschoben ist, so sieht man, daß sich bei Verwendung eines nicht gleichförmigen-Feldes mit im wesentlichen parallel verlaufenden Kraftlinien ein Differential der Kraftwirkung, gemessen in der Richtung der Änderung des angelegten Feldes, ergibt. Obgleich im Prinzip eine quantitative Änderung des Wertes der Gegenkraft nn.dererseits auch in einem gleichförmigen, quer zur Flüssigkeit liegenden Feld mit einer sich, in einer senkrecht zum Feld liegenden Ebene ändernden Stromdichte erreicht werden kann, so ist es im allgemeinen bequemet, sich 'hauptsächlich oder allein auf die Änderung der Feldstärke zu verlassen. Es ist natürlich ebenso möglich, sowohl eine ungleichförmige Stromdichte al/s auch ein ungleichförmiges magnetisches Feld zu verwenden.

Es ist bereits ein sogenanntes tiegel freies Schmelzverfahren, für Metalle und Metallegierungen bekannt, bei welchem in einem Metallkügelchen durch hochfrequente Spulenfelder hoher Intensität Wirbelströme er-Elektromagnetisches Rührverfahren

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. Dr. R. Herbst, Rechtsanwalt,
Fürth (Bay.), Breitsoheidstr. 7

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 22. Juli 1955

William Gardner Pfann, Basking Ridge,

N.J. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

zeugt werden, so daß das Kügelchen frei schwebend gehalten und ohne jede Berührung mit den Spulen oder anderen feststehenden Teilen der Umgebung frei schwebend geschmolzen werden kann. Beim Schmelzen nimmt das Kügelchen die Form eines Kinderkreisels an, während gleichzeitig ein kräftiges Umrühren des geschmolzenen Metalls stattfindet. Dies beruht darauf, daß die in dem Metallkügelchen induzierten Wirbelströme mit den hochfrequenten Spulenfeldern in Wechselwirkung treten, wodurch eine die Schwerkraft kompensierende Gegenkraft erzeugt wird, die das Kügelchen in· der Schwebe hält. Wesentlich ist dabei, daß die in d,em Metall induzierten Ströme von den sie erzeugenden hochfrequenten Spulenströmen nicht unabhängig sind und daher auch nicht unabhängig von diesen, geregelt werde-n können.

Weiterhin sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum JJmrührcn einer metallischen Schmelze in einem nichtmetallischen Tiegel mit Hilfe eines Wechselfeldes, genauer gesagt eines Drehfeldes, und eines dv

1 056 84!

geschmolzene Metall hindurchfließenden Stromes bekannt.

Durch die Wechselwirkung des rotierenden Feldes mit dem Feld des durch das geschmolzene Metall fließenden Gleichstromes werden Gegenkräfte erzeugt, die eine Drehbewegung des geschmolzenen metallischen Körpers zur Folge haben.

Des weiteren ist bereits ein Verfahren zum Ziehen von Kristallen aus der Schmelze urter Anwendung eines elektromagnetischen Rührvorgangs vorgeschlagen worden, bei welchem das Rühren durch ein in Ziehrichtung verlaufendes elektrisches und ein quer, vorzugsweise senkrecht hierzu verlaufendes Magnetfeld erzeugt wird.

Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum elektromagnetischen. Umrühren von Schmelzen, wobei die Schmelze in einen elektrischen Stromkreis geschaltet wir-d und wobei senkrecht zur Richtung des durch die Schmelze geleiteten elektrischen Stromes ein (durch einen oder mehrere permanente oder Elektromagnete erzeugtes) Magnetfeld so angeordnet wird, daß in einer Zone der Schmelze eine das Umrühren bewirkende elektromagnetische Gegenkraft erzeugt wird. Dieses Verfahren hat vor allen Dingen bei der Behandlung von Halbleitermaterialien, insbesondere beim sogenannten Zonenschmelzverfa.hren oder beim Zonenausscheidungsverfahren, besondere Bedeutung und zeichnet sich dadurch aus, daß beim Zonenschmelzen eines Stabes dieser in den Stromkreis geschaltet wird und das Magnetfeld neben der Schmelzzone mitläuft. Das neue Verfahren arbeitet dabei etwa in der folgenden Weise: Ein im wesentlichen paralleler Strotnfluß wird in einem flüssigen Körper durch Anlegen einer Spannung an zwei Elektroden., auf jeder Seite des Körpers eine, erreicht, während ein nicht gleichförmiges Magnetfeld quer zum Körper durch Magnetpole entgegengesetzter Polarität angelegt wird, die quer zu dem Körper in einem Winkel von im wesentlichen 90° zur Achse der Spannungselektroden· angebracht sind, wobei die Achse der Polflächen derart angeordnet sind, daß sich eine ungleichmäßige FLußdichte innerhalb des Körpers ergibt. Die Wechselwirkung zwischen dem Strom und dem magnetischen Feld ergibt eine nicht gleichmäßige Gegenkraft, die einen Winkel von 90° mit der Feldebene und dem Strom bildet und in· Richtung der abnehmenden Feldstärke abnimmt. Dieser Gradient der Gegenkraft über dem flüssigen Körper ergibt eine Flüssigkeitsströmung in Richtung der Gegenkraft an der Stelle, an der die Kraft am größten ist.

Elektromagnetische Rührverfahren sind von. besonderer Bedeutung beim Behandeln, von Metallen und Halbleitermaterialien, bei denen auch geschmolzene Phasen der zu behandelnden Alaterialien in Frage kommen. Ein derartiges, als »Zonenschmelzverfahren« bekanntes Verfahren mit weit verbreiteter industrieller Anwendung ist in dem Abhandlungen, des amerikanischen Instituts für Berg- und Metallingeniieure, Bd. 194, S. 747 bis 753, aus dem Jahre 1952 beschrieben. Da die Rührverfahren gemäß der Erfindung insbesondere in Verbindung mit Zonenschmelzverfahnen von Vorteil sind und auch dabei weitverbreitete Anwendung finden können, erscheint es nützlich, die Erfindung hauptsächlich mit den Begriffen solcher Verfahren zu beschreiben. Es ist jedoch klar, daß die hier beschriebenen Verfahren nicht darauf beschränkt sind.

Im Zonenschmelzverfahren wird eine geschmolzene Zone durch ein Blöckchen aus schmelzbarem Material hindurchgeführt. Dieses Durchqueren wird durch eine ringförmige oder andere Heizeinrichtungen erreicht, d'e relativ zu ilvm Blöckchen bewegt werd-en, .-o dall ein Toil des Blöckchens innerhalb dos Einflußbereiches der Heizeinrichtung schmilzt. Die Zojienschm-elzeinnchtung wird während de> Behand'ungsYorgan.ges so angeordnet, daß sich zwei bewegende Trennflächen zwischen flüssiger und fester Phase ergeben. Die eine ist als SchmelztreTUiflächi? bekannt und stellt die Trennfläche zwischen der geschmolzenen· Zone und dem festen Teil des Blöckchens in Wanderrichiunii

ίο dar. Die andere wird als Erstarrungstrennfläche bezeich.net, womit die andere Trennfläche zwischen der geschmolzenen Zone und dem festen Bereich bezeichnet wird.

Da die Löslichkeitvn und demzufolge die Konzentrat ionen von in kleineren Mengen in dem Blöckchen vorliegenden Bestandteilen und in den benachbarten festen und geschmolzenen Bereichen verschieden sind, so ergibt sich beim Durchwandern der geschmolzenen Zone durch das feste Blöckchen eine Neuverteilung dieser in kleineren Mengen vorliegenden Bestandteile. In dem gebräuchlicheren Fall, in dem diese Bestandteile in der flüssigen Pha.>e leichter löslich sind als in der festen, nimmt die Konzentration dieser Bestandteile in der geschmolzenen Zone zu, so wie diese Zone durch das Blöckchen hindurchgerührt wird, wodurch sich ein Entfernen dieser Bestandteile aus dein festen Teil des Blöckchens ergibt. Diese Eigenschaft wird mit einem Verteil ungskoeffizieiuen h beschrieben, der hier durch die Konzentration des in kleinen Mengen vorliegenden Bestandteils in der fest-en Phase, geteilt durch die Konzentration dieses Bestandteils in der flüssigen Phase definiert ist, wobei beide Konzentrationen an 'der Trennfläche vom festen zum flü>sigen Zustand gemessen werden. Ein derartiger Vei teilungskoeffizient kann unter Gleichgewichtsbedingungen gemessen werden, wobei dann· das Symbol k verwendet wird., oder im stationären Zustand, wobei dann das Symbol k_eil verwendet wird.

Es gibt zwei bekannte Zonenschmelzverfahren. In dem einen Verfahren wird die Zusammensetzung der geschmolzenen Phase konstant gehalten, um ein behandeltes Blöckchen mit einer gleichförmigen Störelementkonzentration zu bekommen, wobei dieses Verfahren auch als Zonenausgleichsverfahren (zoneleveling) bekannt ist. Das andere Verfahren wird mit »Zonenabscheidung« (zone-refining) bezeichnet, wobei die geschmolzene Phase dazu neigt, die in kleineren Mengen vorliegenden Bestandteile anzuhäufen oder diese Bestandteile an die feste Phase abzugeben, Bei dem letztgenannten Verfahren werden dx>e in kleinen Mengen vorliegenden Bestandteile entweder am Anfang oder am Ende des Durchgangs der geschmolzenen Zone konzentriert, wobei sich die Konzentration in dem zuletzt erstarrenden. Teil .in einem System ergibt, bei dem der Verteilungskoeffizient k einen Wert 'kleiner als 1 hat, während die Konzentration im zuerst erstarrenden Teil auftritt, wenn der Verteilungskoeffizient einen- Wert größer als 1 aufweist.

Wie es dem mit den Zonenschmelzverfahren. vertrauten Fachmann bekannt ist, werden die relativen Konzentrationen von in kleinen Mengen vorliegenden Bestandteilen auf jeder Seite der Trennflächen zwischen flüssiger und fester Phase im stationären Zustand mit dem Begriff des effektiven Verteilungskoeffizienten gemessen, der hier mit k_elt bezeichnet ist. Es ist weiterhin -klar, daß sich im allgemeinen beim Zonenschmelzen der effektive \⁷erteilungskoeffizient im stationären Zustand dem Gleichgewichtswert k annähert, aber diesem nicht gleich wird. Führt man

1 05β

nicht ideale Bedingungen ein, wie z. B. wesentliche Pifiusioiiszeiten für diese Bestandteile in d<?r flüssigen Phase, so ergibt sich daraus, daß der numerische Wert von Α',.« sich dem Wert 1 nähert. Es ist einleuchtend, daß. je mehr sich der numerische Wert von k_ci! 1 nähert, die Konzentrationen dieser Bestandteile in den beiden Phasen an der Trennfläche nahezu gleich sind, so daß demzufolge die b?-im Durchlauf der geschmolzenen Zone erzielte Trennung um so unwirksamer ist. Wie vorhin bezüglich der beiden Arten des Zonenschmdzverfahrens erwähnt, ist eine wirksame Trennung beim Zonenabschcidtmgsverfahmi das Erwünschte und beim Zonenausgleichsvertahren nur von zweitrangiger Bedeutung. Man 'hat jedoch, häufig den Wunsch, beim Zonenausgleichsverfahren den Wert von k_eii in. gewissem Maße zu 'beeinflussen, und wenn es nur zu dem Zweck geschieht, um eine gleichförmige Zusammensetzung zu erreichen. Es ist bereits vorgeschlagen worden, das unerwünschte Merkmal der umvirksaanen Diffusion der in kleinen Mengen in der flüssigen Phase vorliegenden Bestandteile mindestens zu einem Teil durch eine Rührbewegunig innerhalb dieser Phase zu überwinden. Vorgeschlagene Rührverfahren sind z. B. das mechanische Rühren, und das induktive Rühren, wobei im letzteren Falle die induktive Quelle auch als Heizquelle dienen kann. Auf jeden Fall ergibt ein Umrühren des Materials in· der geschmolzenen Zone eine gleichmäßigere Verteilung der in geringen Mengen vorliegenden Bestandteile in der Zone und führt dazu, die diesem Verfahren anhaftende Eigenschaft zu überwinden, angereicherte oder verarmte Schichten dieser Bestandteile an. der erstarrenden Trennfläche zwischen fester und flüssiger Phase aufzubauen. In einem System, in dem der Trennungskoefnzient k kleiner ist als 1, wird diese Schicht angereichert.

Die Umrührverfahren gemäß der Erfindung haben viele Vorteile gegenüber den bereits vorgeschlagenen Verfahren. Induktive Rührverfahren sind z. B. bekann: aus »Eisenschmelzverfahren.« von John L. Brav, erschienen, im Verlag John Wiley and Sons, NewYork, 1954, S. 359. Diesem Verfahren fehlt die Steuerung und die Anpassungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Verfahren, und es erfordert eine induktive Heizquelle, die relativ teuer und umfangreich ist, was so lange nicht gerechtfertigt ist, wie die Heizeinrichtung nicht auch z. B. wegen ihrer großen Wärmeerzeugung benötigt wird. Die hier beschriebenen Verfahren können z. B. beim Widerstands-Zonens.chmeteverfahren angewandt werden, das n.ur eine reiativ billige Ausrüstung 'benötigt und in vieler Hinsicht dem induktiven Zonenschmelzverfahren vorzuziehen ist.

Ein mechanisches Umrühren von flüssigen Materialien kann insbesondere beim Behandeln von hochschmelzenden oder reaktiven Materialien unerwünscht sein. Baustoffe, die sich dafür eignen, mit der umzurührenden Flüssigkeit in Berührung zu kommen, müssen hohe Temperaturen aushalten und dürfen keine unerwünschten Elemente enthalten, d^!ie eine Verunreinigung der Schmelze ergeben würden. Außerdem kann das Einfügen eines Stabes oder eines anderen Rührwerkes durch die Wand eines Tiegels ein schwer zu lösendes Problem darstellen, wenm in dem Tiegel eine Schutzatmosphäre aufrechterhalten, werden soll.

_ Obgleich einige der Schwierigkeiten des mechan:schen Umrührverfahrens durch Verwendung eines magnetischen Teiles innerhalb des geschmolzenen Bereiches vermieden werden können, der mit einem außerhalb des Tiegels befindlichen, nicht mechanisch mit dem ersten Teil verbundenen zweiten magnetischen Teil zusammenwirkt, kann trotzdem das Vermeiden einer Verunreinigung ein Problem darstellen. Weiterhin liegen die Schmelztemperaturen von vielen Materialien, die jetzt durch Zonenschmelzen behandelt werden, wie z. B. Silizium, .-o hoch, daß der Restmagnetismus ferromagnetische!· Materialien vernachlässigbar klein ist.

Das vorliegende Verfahren, das sich mit der Wechselwirkung eines durch den geschmolzenen Bereich fließenden Stromes mit einem über dem geschmolzenen Bereich angelegten magnetischen Feld befaßt, vermeidet alle Nachteile der mechanischen Verfahren, vermeidet den Umfang und die Kosten der induktiven Verfahren und vermeidet einen direkten Kontakt der magnetischen Materialien mit der umzurührenden Flüssigkeit und hat zusätzlich noch weitere -besondere Vorteile.

Die drei Beiträge, die durch das erfindungsgemäße Verfahren für die Behandlungstechnik geliefert werden, können wie folgt dargestellt werden:

1. Beim Zonenausscheidungsvertahren oder beim gewöhnlichen Erstarren ergibt ein Umrühren der geschmolzenen Zone einen höheren Wirkungsgrad bei der Trennung bei vorgegebener Geschwindigkeit oder gestattet eine größere Erstarrungsgeschwindigkeit bei einer gewünschten Trennung.

2. Ein elektromagnetisches Umrühren innerhalb der geschmolzenen Zone vermindert bei Zonenschmelzverfahren die Häufigkeit und die Stärke von Ungleichförmigkeiten in der Konzentration der in Weinen Mengen vorliegenden Bestandteile über die gesamte Erstarrungstrennfläche.

Eine gleichmäßige Konzentration solcher Bestandteile in dieser Querschnittsebene des fertigen Blöckchens ist insbesondere in Materialien mit Ausgleich der Konzentration in der Zone wünschenswert.

3. Das Umrühren des geschmolzenen Materials in einer geschmolzenen Zone durch elektromagnetisches Rühren bewirkt ein Abnehmen der Dicke der Dift'usionsschicht des gelösten Stoffes in unmittelbarer Nachbarschaft der vordringenden oder zurückweichenden Trennfläche zwischen fester und flüssiger Phase. Wie bereits im Abschnitt 1 oben ausgeführt, ist es allgemein vorteilhaft, die Dicke dieser Schicht zu verringern. Es ist allerdings auch möglich, erwünschte Konzentrationsänderungen oder Gradienten innerhalb des zonengeschmolzenen Materials dadurch zu erzielen, daß die Dicke dieser Difi'usionsschicht verändert wird oder indem der Umrührstrom oder das angelegte Feld während der Behandlung verändert oder weggenommen wird.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines schmelzbaren Körpers, durch den sich eine Trennfläche zwisehen flüssiger und fester Phase bewegt (das Diagramm, in dem auf den Koordinaten die Konzentration über dem Abstand in dem Körper aufgetragen ist, wird im theoretischen Teil der Beschreibung näher erläutert),

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer zur Erzeugung einer umgerührten Scbmelzzone gemäß der Erfindung geeigneten Einrichtung.

Fig. 3 _ej_ne schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform von Fig. 2,

Fig. 4 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform, die ähnlich wie die Einrichtungen nach Fig. 2 und 3 arbeitet,

Fiji.5 eine schematische Ansicht eine.-Quer.^chnittvs durch eine Einrichtung zum Schmelzen und zum Umrühren des geschmolzenen Bereiche.··.

Fig. 6 A und 6B eine Vorderan.-ic'n; unJ eine Draufsicht einer wirksamen Einrichtung zum Erzeugen einer flachen, in Bewegung befindlichen geschmolzenen Zone,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Verwendung in umgerührtem, geschmobenem Material an der Trennnächie zwischen geschmolzenem und festem Material bei einem normalen Erstarrungsvorgang und

Fig. 8 eine schematiche Ansicht einer geeigneten Anordnung mit Magnetpolen und Heizeinrichtungen zum Erzeugen einer umgerührten, geschmolzenen Zone.

In Fig. 1 wird weiterhin in Verbindung mit einer Diskussion der Parameter des Erstarrungsvorganges eingegangen, die den Wert von k_elf beeinflussen, der hierbei als das Verhältnis der Konzentration von gelösten Stoffen in dem erstarrenden festen Körper zu der Konzentration in dem Hauptteil des flüssigen Körpers definiert ist. Weiterhin wird die Beziehung zwischen den elektromagnetischen Rührverfahren und k_eii erörtert. Es ist einleuchtend, daß für Systeme mit einem Wert von k kleiner als 1 ein kleiner Wert von km den Trennungswirkungsgrad günstig beeinflußt. Fig. 1 zeigt einen festen Körper 1, der in eine Schmelze aus flüssigem Material 2 mit einer im stationären Zustand befindlichen Konzentration Ci an gelösten Stoffen für k kleiner als 1 vorrückt. Die Konzentration des erstarrenden festen Körpers soll dabei IeC₀ sein, wobei k den Verteilungskoeffizienten im Gleichgewichtszustand darstellt und C₀ die Konzentration der Schmelze an der Trennfläche.

Eine an gelösten Stoffen reiche Schicht in der flüssigen Zone 2 bildet sich von der Trennfläche 3 zur Querschnittsfläche 4 mit der Dicke auf Grund einer Anhäufung von gelösten Stoffen in der Flüssigkeit an der Trennfläche. Wird nicht gerührt, dann nimmt die Dicke der Schicht 3-4 mit wachsendem Diffusionsvermögen der gelösten Stoffe in der flüssigen Phase ab. Wegen der Anhäufung der gelösten Stoffe in der Schicht 3-4 nimmt k_cll einen Wert an, der größer ist al? der Verteilung.>koeffizient k im Gleichgewichtszustand, so daß sich dadurch eine verminderte Trennwirkung ergibt. Jedes Verfahren, das eine Verminderung des Abstandes C₀-Cl bewirkt, ergibt auch eine Verringerung des Wertes \*on k_en. Die Höhe C₀-C_L der Schicht 3-4 nimmt im stationären Zustand für ein gegebenes chemisches· System und für eine gegebene Erstarrungsgeschwindigkeit mit wachsender Dicke der Schicht ö zu. Daher ergibt eine Verminderung von ö eine Abnahme des Wertes /(■<,(■/.

Das Umrühren der Flüssigkeit ir. der geschmolzenen Zone 2 hat die Wirkung, <3 zu vermindern. Je größer die Rührgeschwindigkeit, d. h. je größer die Geschwindigkeit der Flüssigkeit parallel zu den Trennflächen :.-t, um so kleiner wird d, Die Theorie der angereicherten Schichten und die Einwirkung eines rotierenden Umrührens auf ό und k_et1 ist in der amerikanischen Zeitschrift für Chemie und Physik, Bd. 21. 1953, S. 1987 ff., beschrieben. Angaben über kennzeichnend.? Störelemente für Germanium sind dort ebenfalls zu entnehmen. Aus dieser Veröffentlichung ergibt sich z.B., daß die Wachstumsgeschwindigkeit R für Germanium-Antimon-Stückchen, die durch Kristallziehen gewachsen sind, von 38 auf 62 Mikron je Sekunde ohne Erhöhung von k_ell vergrößert werden kann, wen-η die Umlaufgeschwindigkeit der Kristalle von 57 Umdrehungen je Minute auf 104 Umdrehungen je Minute heraufgesetzt würde, l'ür geringere Umdrehungsgeschwindigkeiten ergibt >ich ein größeres proportional·?» Anwachsen von R für eine gegebene Vergrößerung der Umdrehungsgeschwindigkeit. In erster Annäherung kann beim Kri.-tallziehen die Rührgeschwindigkeit als proportional zu der Umdrehungsgeschwindigkeit des Kristalls angenommen werden,

ίο In der; hier beschriebenen Verfahren hängt die Umrührgeschwindigkeit V in der Nachbarschaft einer gegegebenen Trennfiäche von vielen Faktoren ab, und zwar von dem Wert der Feldstärke //, dem Wert des Rührstromes /, den physikalischen Abmes.-ungen der geschmolzenen Zone, der Zähigkeit der Flüssigkeit, der exakten Art des durch die Wechselwirkung zwischen // und / erzielten Rührvorganges sowie der Steigung und der Größe des Gradienten der magnetischen Feldstärke ΔΗ innerhalb der Zone. Im allgemeinen sind viele dieser Faktoren durch die Art des Systems und der gewünschten Eigenschaften des Ausgangsproduktes festgelegt. Obgleich es an sich begreiflich ist, daß man die Abmessungen, d. h. di-e Länge und den Querschnitt der Zone im Hinblick auf wünschenswerte Rühreigenschaften bei industrieller Anwendung wählt, so ist es doch wahrscheinlicher, daß sich der Konstrukteur einer Rühreinrichtung hauptsächlich mit den Parametern des Rührstromes / und der Änderung der Feldstärke längs der Achse des Stromflusses, dHldx, befaßt, wobei die Strecke χ in der geschmolzenen Zone längs der Achse des Stromflusses gemessen wird. Im allgemeinen hängt der Wert des Rührstromes / von praktischen Überlegungen ab, wie z. B. von der zur Verfugung stehenden Spannung und der maximalen zulässigen Wärmewirkung aus I²-R. Es kann natürlich Anwendungsgebiete geben, wo die Wärmewirkung aus I²-R entweder zum Teil oder vollständig als Wärmequelle in dem geschmolzenen Bereich verwendet wird. Einige Ausführungsformen dieser letzteren Möglichkeit werden weiter unten beschrieben.

Der Höchstwert der Feldstärke H_max hängt ebenfalls von praktischen Überlegungen, bezüglich der Größe und Stärke allgemein erhältlicher handelsüblicher Permanentmagnete oder von der Größe des zur Verfügung stehenden Stromes ab, wenn ein Elektromagnet verwendet wird, sowie von der Größe des Luftspaltes zwischen den Polen über der Zone, wobei die Größe des Luftspaltes wiederum von den Abmessungen der Zone abhängt. Hat das zu behandelnde Material einen hohen Schmelzpunkt, wie z. B. Germanium oder Silizium mit Schmelzpunkten von 937 bzw. 1412° C, die wesentlich über dem Curiepunkt gebräuchlicher ferromagnetischer Substanzen liegen.

wird der kleinste zulässige Luftspalt durch die maximale Arbeitstemperatur für das magnetische Material bestimmt. Es kann dabei wünschenswert sein, die Magnetflächen beispielsweise unter Verwendung eines Wassermantels zu kühlen. Die Verwendung von handelsüblich erhältlichen Stabmagneten ergibt bei einem Luftspalt von 2,5 cm eine Feldstärke in der Größenordnung von 25 000 Örsted. Die am leichtesten zu beherrschende Veränderliche stellt unter der Annahme eines bestmöglichen magnetischen Materials und eines größten, praktisch verwirklichbaren Rührstromes die Änderung der Feldstärke längs der Achse des Stromflusses und den Ort eines maximalen Wertes von H dar. Im allgemeinen ist die Rührgeschwindigkeit um so größer, je größer die Änderung der Feldstärke längs der Stromflußachse ist. Nimmt man

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ein Paar von Stabmagneten an, die rittlings uixrr eier geschmolzenen Zone in einem Winke! von 90 zum Stromfluß angeordnet sind, so ergibt sich ein maximaler Rühreffekt, wenn H im Bereich einer Trennfläche einen Höchstwert aufweist und wenn H m irgendeinem anderen· Bereich der Zone den Wert U erreicht. Wie sich aus der Beschreibung der l-iguren ergehen läßt, wird dies praktischerweise am besten dadurch erreicht, daß die Magnetischen rittlings zur

schliffenen Flächen eines Hufeisenmagnets bestehen können. Dk Wechselwirkung zwischen dem durch die Magnete. 14 und 15 erzeugten Feld, der Feldstärke H und dem Umrührstrom 16, der durch eine nicht dargestellte Quelle geliefert wird, ergibt ein Umrühren des geschmolzenen Materials in der Zone 11.

In dem dargestellten Beispiel bewegt sich da? in der Mitte zwischen den Magneten 14 und 15 befindliche Material in einer Richtung vom Betrachter weg, die

ebenen Flächen anders als rittlings über der Zone angebracht sind, sind dem Fachmann oh« weiteres ge-TaUrIg. Einige dieser Ausführungsformen sind ;n den Fluren dargestellt und beschrieben.

■In der Praxis wurde festgestellt, daß sich eine scharfe Änderung der Feldstärke II dadurch erzielen läßt, daß man die Fläche eines Permanentmagnets in λ» ViW Af* Blöckchens nvt einem Abstand von etwa ϊ S'i Dbi ll dr

20

Für "die in Fig. 2 dargestellte Anordnung entspricht dies einem Wandern der Zone von rechts nach links. In der in dieser und den anderen Figuren dargestellten Einrichtung ist die Beziehung des das magnetische Feld erzeugenden Elements zu der Heizeinrichtung festgelegt. Beim Zonenschrnelz.veriahren

*. KHhe de. Blöckchens nvt einem Abstand von «w* werden die Magnete und die Heizeinrichtung relativ 6 3 W ϊ> 1mm von dielen'anbringt. Dabei sollte der _{25 zu dem} Körper bewegt, so daß e.ch d.« geschmolzene Magnet einen möglichst kleinen Teil der geschmol- Zone durch die feste Masse h.ndurchbewegt. ^So^rdeäe, Es aufgefunden, daß dann, J^*^™*^^^ £

AVechselwirkung zwischen dem magnetischen Feld der rittlings angebrachten Magnete 21 und 22 und dem Rührstrom 23 erzeugten unsymmetrischen Krait umgerührt wird. In der dargestellten Einrichtung wird der flüssige Bereich 20 durch eine Heizeinrichtung 24 und 25 erzeugt. Man sieht bei der dargestell-

dji'ä^tw^rti'^'^ndTanWMnder senkrecht 35 ten Einrichtung, daß sich zwei getrennte Arten von Steherι Es 4heint ferner so zu sein, daß sich eine Flüssigkeitsströmung«* ergeben, da das durch die eichte BevorluTung für ein vertikales magnetisches _Magne*_{te 21 und} 22 erzeugte ^g«**^¹^ Fe,d ergibt, w/nn, die geschmolzene Zone horizontal ^₃₅^zu^Achse ^^^fi.

Fi" 2 bis 9 sind geeignete Magnet- 40 _Spj_€l fließt die Flüssigkeit zwischen c dargestellt. Im allgemeinen sind recht- _und 22 vom Beobachter weg und in der As

cKug^au. _ ?.,.._. λι ■ _der Trennflächen 27 und 28 auf den Beobachter zu.

In Fi" 4 liegt die Heizeinrichtung 30, die den geschmolzenen Bereich 31 erzeugt, zwischen dieser geschmolzenen Zone und den rittlings angeordneten Magneten 32 und 33, die in einem bestimmten Abstand fn der Nähe der Trennfläche 34 des Blöckchens 35 angeordnet sind. Obwohl diese Einrichtung sich fur eine leichte Steuerung der Lage der Trennfläche 34 eignet

zenenz-one ui>eraecKen. ts «"'^ ö^-—";> ■

wenn der Magnet mit seiner Fläche weniger al? die Hälfte der Länge der Zone umfaßt, am anderen Ende der Zone ein relativ feldfreier Bereich entsteht.

Da sich das Rühren aus der Wechselwirkung nur zwischen den Komponenten des Stromes und der Feld*tärke H ergibt, die senkrecht aufeinander stehen, ergibt sich eine maximale Rührwirkung dann, wenn

In den

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ecKige Querschnitte, bei denen die kurze Abmessung der Zone senkrecht zum magnetischen Feld liegt, vorzuziehen, wodurch sich relativ kurze Luftspalte ergeben.

Der Strom/ kann in dem Körper mittels Elektroden aus nicht verunreinigendem Material eingeführt werden, die z.B. aus Graphit, rostfreiem Stahl

oder Wolfram bestehen, oder aber über die End te Je leichte steuerung uex α-«^ u^ . -_r»

der Charge, in die die Elektroden eingebettet oder an 50 kann es trotzdem notwendig sein ^dl«£«f „ ,

denen sie befestigt sind, wobei diese Endteile während 33 zu kühlen, um sie unterhalb de, Cunepunktes zu

des "anzen Vorganges fest bleiben. Für besonders halten. Das Umrühren innerhalb der geschmolzenen

empfindliche Reinigungsverfahren oder für Verfahren, Zone wird durch die Wechselwirkung zwischen dem

bd denen geringe Mengen von Störelementen eine Feld der Magnete 32 und 33 und dem Stromfluß 36

schädliche Verunreinigung ergeben können, wird man 55 erzeugt.

den als Elektrode verwendeten Teil des Körpers von I_n Fig. 5 ist ein Querschnitt durch «me Ejnnchdem Reinheitsgrad wählen, den man zu erreichen _tung mit einer geschmolzenen Zone 40 dargestellt, die _wün«cht durch Heizelemente 41 und 42 erzeugt wird. Das Lmp;g -7 ze-Vt e^;ne Draufsicht eines Körpers aus rühren wird hierbei durch die Wechselwirkung zu 1-e-nem Material 10 mit einem geschmolzenen Bereich 60 _schen einem in der geschmolzenen Zone durch die 11 der ζ B eine geschmolzene Zone beim Zonen- rittlings angebrachten Magnete 33 und 44 erzeugten schmelzen darstellen kanu. Die geschmolzene Zone 11 Feld und einem Stromfluß bewirkt, der sich längs wird in dem festen Blöckchen 10 durch ein ring- einer Achse durch die Zone 40 senkrecht zurZeicheniörmigec Heizelement 12 erzeugt, das beispielsweise ebene erstreckt. Diese Anordnung laßt geringe Abcin Widerstandsheizelement sein 'kann. Ein magne- 65 stände zwischen Magnet und Zone zu und vermeidet t.^:>c'.v.-s Feld wird über der geschmolzenen Zone 11 eine gegenseitige Beeinflussung mit den Heizelemeniri der Nachbarschaft der Trennfläche 13 zwischen ten 41 und 42. _ fester und flüssiger Phase durch die Magnete 14 und Fig. 6A und 6B zeigen eine Einrichtung zur Jir-15 angelegt, die z. B. längs einer gemeinsamen Achse zeugung und zum Umrühren einer relativ ttaclien liegende Stabmagnete sein oder aus den parallel ge- 70 Flüssigkeitszone. In dieser Einrichtung wird eine

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ovale Flüssigkeitszone 50 in einem festen Körper 51 durch -ein Heizelement 52 erzeugt. Die Wechselwirkung zwischen einem in Längsrichtung durch Jen Kürp-er 51 durch <?ine SpannungMvelle und Elektroden (beides nicht dargestellt) erzeugter: Strom 53 und einem magnetischen FiUJ vertikaler Ausdehnung, das durch -einen Magnet 54 hervorgerufen wird, ergibt, von oben gesehen, ein-e Flüssigkeitsströmung entgegen dem Uhrzeigersinn in der flüssigen Zone 50. Die ovale Form der flüssigen Zone. d:e durch ein ahnlieh geformtes Heizelement 52 hervorgerufen wird, unterstützt die Rührwirkung.

In Fig. 7 ist ein normaler Erstarrungsvorgang dargestellt, bei dem da? Kühren an der Erstarrungstrennfläche durchgeführt wird. In dieser Einrichtung wird eine geschmolzene Zone 60 in einem Körper 61 durch einen Ofen 62 erzeugt. Wird der Körper 61 in .der angegebenen Richtung aus dem Ofen herausgezogen, kristallisiert der Teil 63 aus. Das magnetische Feld, das über dem Körper 61 in der Nachbarschaft der Trennfiäche zwischen flüssiger und fester Phase 64 durch die Magnete 65 und 66 erzeugt wird, liefert zusammen mit d'em axial durch den Körper 61 von einer nicht dargestellten Stromquelle aus fließenden Strom 67 eine Rühnvirkung in dem flüssigen Teil 60 an der Trennfläche, wobei die Anhäufung von Lösungsstoffen, deren Trennkoeffizienten kleiner sind als 1, so klein wie möglich gehalten wird, während gleichzeitig oder als Alternative dazu an der gleichen Steile eine Verarmung an Lösungsstoffen auftritt, deren Trennkoeffizienten größer sind als 1.

In der in Fig. 8 dargestellten Anordnung sind zwei Paare von Hufeisenmagneten mit Polen 71, 72 und 73, 74 rittlings über einer Hei zein richtung 75 angebracht, die in dem Blöckchen 77 eine geschmolzene Zone 76 erzeugt. Das magnetische Feld der Polpaare 71,72 und 73, 74 ergibt zusammen mit dem durch nicht dargestellte Mittel erzeugten Rührstrom 78 ein Umrühren in der Umgebung der Trennflächen 79 und 80 zwischen der flüssigen und der festen Phase. Ein derartiges Verfahren ist insbesondere dann wirkungsvoll, wenn die Länge der Zone in Richtung des Stromflusses im Vergleich mit der Abmessung senkrecht zum Stromfluß groß ist.

Im allgemeinen muß, je größer die Dichte oder die A⁷iskoshät der umzurührenden Flüssigkeit ist, der Feldstärkegradient AH in dem geschmolzenen Bereich der Zone zur Erzeugung einer gegebenen Rührgeschwindiglveit und demgemäß zur Erzeugung eines vorgegebenen effektiven Verteilungskoeffizienten in einem gegebenen System entsprechend größer sein. Obgleich in der Nachbarschaft der Behälterwände die den Flüssigk-eitifluß verzögernden Reibungseffekte proportional größer sind, so gibt eine gegebene Größe von AH eine um so kräftigere Rührwirkung, wenn die Abmessungen der Zone innerhalb angemessener Grenzen verringert wi.rd. Für eine geschmolzene Zone von 2 cm Länge und 1 cm² Querschnitt ergibt sich eine Rührgeschwindigkeit in der Größenordnung von 20 cm je Sekunde aus der sich aus der Wechselwirkung zwischen einem Rührstrom von -etwa 20Amp. und einem Wert von AH von etwa 200örsted über der Zone in einer Flüssigkeit mit einer Dichte von etwa 12 ergebenden Gegenkraft.

Di-ε -elektromagnetischen Rührverfahren gemäß der Erfindung wurden bisher mit den Begriffen einer Aufrecht-erhal.tung der Erstarrungsbedingungen besxhriehen, so daß sich die flüssigen und festen Materialzusammensetzungen an der Erstarrungstrennfiäche im wesentlichen im stationären Zustand befinden. Wie i>erv·:'.- Ijv.-chrii']«.'!!. is: ein derartiges Vorfahren insiK'ion.lere beim Zuiienaus^l-eich oder bei der Zonenausscheidung mit Vorteil anwendbar.

Andere Anwendungen der hier beschriebenen Verfahren erg-eben sich von selbst. Zum Beispiel lassen sich di-c Ausscheidungskoetfiziemen von Lösungsstoff-Lösungsmittel-Systemen in der Nachbarschaft von T renn fläche η zwischen flüssiger und fester Phase kontinuierlich oder diskontinuierlich dadurch ändern, daß der Rührstrom o-der das magnetische Feld moduliert oder diskontinuierlich angelegt wird. Solche gesteuerten, effektiven Ausscheidungskoeffizienten können eine gewünschte Mischungsänderung in dem kristallisierenden festen Material ergeben oder können dazu verwendet werden, bei einem normalen Erstarrungsvorgang die Anhäufung oder Verarmung von Lösungsstoffen in dem verbleibenden geschmolzenen Material aufzuheben.

Soll die Rührwirkung schnell unterbrochen werden, so kann man die lebendige Kraft der umgerührten Flüssigkeit dadurch aufheben, daß man plötzlich die Richtung des magnetischen Feldes oder die Richtung des Stromflusses umkehrt.

Beim Herstellen von N-P- oder N-P-N-übergängen in Halbleitermaterialien durch das Verfahren· der Veränderung der Wachstumsgeschwindigkeit, das auch ein Rückschmelzen oder eine negative Wachstumsgeschwindigkeit einschließen kann, ist es oft erwünscht, mich dem Rückschmelzen eine wieder sehr große WachstumtgeschwiiTdigkeit aufzunehmen. Ein besonders wirksames Verfahren zum Erreichen dieses Zieles ist es, wenn man den Rührstrom durch das Blöckchen zur Steuerung der Lage der Trenniläcbe verwendet. Ist die Aufheizung durch 1--R in der Nachbarschaft der Trennfläche auf Grund dieses Stromes beträchtlich und ist der Temperaturgradient an der Trennfläche groß, z. B. in der Größenordnung von 10 bis 1000° C/cm, so ergeben plötzliche Änderungen des Rührstromes I eine schnelle Änderung der Wachstumsgeschwindigflceit. Wenn es erwünscht ist, den Wert von k_eif ohne Einfluß auf die Wachstumsgeschwindigkeit zu ändern, so läßt sich diese Änderung durch Ändern der magnetischen Feldstärke oder durch Ändern des Stromes / erreichen, wenn der Strom I klein genug ist, um eine nur geringe Aufheizung über P-R zu liefern.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum elektromagnetischen Umrühren von Schmelzen, wobei die Schmelze in einen elektrischen Stromkreis geschaltet wird und wobei senkrecht zur Richtung des durch die Schmelze geleiteten elektrischen Stromes ein (durch einen oder mehrere permanente oder Elektromagne-te erzeugtes) Magnetfeld so angeordnet wird, daß in einer Zone der Schmelze eine das Umrühren bewirkende elektromagnetische Gegenkraft erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß •beim Zonenschmelzen eines Stabes dieser in den Stromkreis geschaltet wird und' das Magnetfeld neben der Schmelzzone mitläuft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit an mindestens einer Trennfläche an einen festen Körper grenzt und diesen benetzt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennfläche von der flüssigen zur fesren Phase in der Flüssigkeit fortschreitend weiterbewegt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit an zwei Trennflächen, .1. h. a« jedem Ende der Flüssigkeit läng? der Acii.-e des Stromflusses, an einen festen Körper grenzt und diesen lienetzt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Trennflächen fortschreitend derart weiterbewegt werden, daß die eine zu einem

festen Körper erstarrt, während die andere in die Flüssigkeit hineinschmilzt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 004 818; deutsche Patentschrift Xr. 632 582; Iron Age, Juli 1952, S. 85/86.

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