DE102016010974A1 - Material conversion arrangement and method - Google Patents
Material conversion arrangement and method Download PDFInfo
- Publication number
- DE102016010974A1 DE102016010974A1 DE102016010974.2A DE102016010974A DE102016010974A1 DE 102016010974 A1 DE102016010974 A1 DE 102016010974A1 DE 102016010974 A DE102016010974 A DE 102016010974A DE 102016010974 A1 DE102016010974 A1 DE 102016010974A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- temperature
- signal
- furnace
- change
- heating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- 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
- C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
- C30B11/02—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method without using solvents
-
- 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
- C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
- C30B11/003—Heating or cooling of the melt or the crystallised material
-
- 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
- C30B35/00—Apparatus not otherwise provided for, specially adapted for the growth, production or after-treatment of single crystals or of a homogeneous polycrystalline material with defined structure
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/02—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating changes of state or changes of phase; by investigating sintering
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/02—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating changes of state or changes of phase; by investigating sintering
- G01N25/12—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating changes of state or changes of phase; by investigating sintering of critical point; of other phase change
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
- G01N25/48—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on solution, sorption, or a chemical reaction not involving combustion or catalytic oxidation
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Pathology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Materialumwandlungs-Anordnung (2), insbesondere zum Züchten von Kristallen, mit: einem Ofen (4), der einen Ofenraum (9) aufweist; einem im Ofenraum (9) angeordneten Aufnahmegefäß (10) zum Aufnehmen eines Materials (12) oder eines Ausgangsmaterials; einer Heizeinrichtung (6, 26) zum Heizen des Ofenraums (9), wobei die Heizleistung der Heizeinrichtung mittels eines Leistungssteuersignals einstellbar ist; einem Temperatursensor (14) zum Messen der Temperatur des Aufnahmegefäßes (10) und/oder des Materials (12) bzw. des Ausgangsmaterials und zum Ausgeben eines der Temperatur entsprechenden Temperatursignals; und einer Steuereinheit (22) zum Einstellen der Heizleistung der Heizeinrichtung (6, 26) und einen Eingang zum Empfangen des Temperatursignals aufweist. Die Steuereinheit (22) ist dazu ausgelegt: – aus dem Temperatursignal eine durch einen Phasenübergang des Materials (12) oder des Ausgangsmaterials bewirkte Temperaturanomalie oder -änderung zu ermitteln, und – das Leistungssteuersignal zum Einstellen der Heizleistung in Abhängigkeit der ermittelten Temperaturanomalie oder Temperaturänderung des Temperatursignals einzustellen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Umwandeln eines Materials bzw. Ausgangsmaterials.The invention relates to a material conversion arrangement (2), in particular for growing crystals, comprising: a furnace (4) having a furnace chamber (9); a receiving vessel (10) arranged in the furnace chamber (9) for receiving a material (12) or a starting material; a heating device (6, 26) for heating the furnace chamber (9), wherein the heating power of the heating device is adjustable by means of a power control signal; a temperature sensor (14) for measuring the temperature of the receptacle (10) and / or the material (12) or the starting material and outputting a temperature signal corresponding to the temperature; and a control unit (22) for adjusting the heating power of the heater (6, 26) and having an input for receiving the temperature signal. The control unit (22) is designed to: - determine from the temperature signal a temperature anomaly or change caused by a phase transition of the material (12) or the starting material, and - the power control signal for adjusting the heating power as a function of the detected temperature anomaly or temperature change of the temperature signal adjust. Furthermore, the invention relates to a method for converting a material or starting material.
Description
Die Erfindung betrifft eine Materialumwandlungs-Anordnung, insbesondere zum Züchten von Kristallen, und ein Verfahren zur Materialumwandlung bzw. -synthese.The invention relates to a material conversion arrangement, in particular for growing crystals, and to a method for material conversion or synthesis.
Bei herkömmlichen Kristallzuchtanlagen wird in der Regel die Temperatur des Kristallmaterials sehr weit über die Phasenübergangstemperatur hinaus erhöht und dann von der sehr hohen Temperatur ausgehend die Ofentemperatur sehr langsam erniedrigt. Dadurch werden Unsicherheiten bezüglich der tatsächlichen Phasenübergangstemperatur vermieden. Das langsame Abkühlen ist Zeit- und Energie-intensiv.In conventional crystal growing systems, the temperature of the crystal material is generally increased far beyond the phase transition temperature, and then, starting from the very high temperature, the furnace temperature is lowered very slowly. This avoids uncertainties regarding the actual phase transition temperature. Slow cooling is time and energy intensive.
Bei bekannten Kristall-Materialien mit bekanntem Verunreinigungsgrad sind Phasenübergangstemperaturen gemessen und publiziert, die beispielsweise mittels DTA- oder DSC-Verfahren ermittelt werden.In known crystal materials with a known degree of contamination, phase transition temperatures are measured and published, which are determined, for example, by means of DTA or DSC methods.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Materialumwandlungs-Anordnung und ein Verfahren vorzusehen, bei denen die Umwandlungseffizienz bzw. Kristallzuchteffizienz erhöht ist.It is an object of the invention to provide a material conversion assembly and method in which the conversion efficiency or crystal growth efficiency is increased.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved with the features of
Gemäß Anspruch 1 ist eine Materialsynthese-Anordnung vorgesehen, insbesondere eine Anordnung zum Züchten von Kristallen. Die Anordnung weist auf: einen Ofen mit einem Ofenraum; ein im Ofenraum angeordnetes Aufnahmegefäß zum Aufnehmen eines Materials oder eines Ausgangsmaterials; eine Heizeinrichtung zum Heizen des Ofenraums, wobei die Heizleistung der Heizeinrichtung mittels eines Leistungssteuersignals einstellbar ist; einen Temperatursensor zum Messen der Temperatur des Aufnahmegefäßes und/oder des Materials bzw. des Ausgangsmaterials und zum Ausgeben eines der Temperatur entsprechenden Temperatursignals; und eine Steuereinheit zum Einstellen der Heizleistung der Heizeinrichtung. Die Steuereinheit weist einen Eingang für das Temperatursignal auf und ist ausgelegt: aus dem Temperatursignal eine durch einen Phasenübergang des Materials oder des Ausgangsmaterials bewirkte Temperaturanomalie oder -änderung zu ermitteln; und das Leistungssteuersignal zum Einstellen der Heizleistung in Abhängigkeit der ermittelten Temperaturanomalie oder Temperaturänderung des Temperatursignals einzustellen.According to
Hierin ist allgemein unter 'Materialumwandlung' Anwendungs-abhängig auch die 'Materialsynthese' zu verstehen.This is generally under 'material conversion' application-dependent and the 'material synthesis' to understand.
Ganz besonders vorteilhaft ist das 'Material' ein Material, bei dem ein Phasenübergang zwischen dem Material und dem Ausgangsmaterial vorliegt. In Ausgestaltung können das Material und das Ausgangsmaterial dasselbe Material sein, die sich nur dadurch unterscheiden, dass sich die feste oder kristalline Phase strukturell geändert hat oder z. B. das Ausgangsmaterial amorph ist, während das (End-)Material kristallin ist. In Ausgestaltung liegen als Ausgangsmaterial ein oder mehrere Ausgangsstoffe vor und durch (chemische) Synthese entsteht das (End-)Material durch die thermische Behandlung mittels der Materialumwandlungs-Anordnung bzw. mittels des Materialumwandlungs-Verfahrens. Während der thermischen Behandlung ändert sich der Phasenzustand des Ausgangsmaterials und/oder (End-)Materials, insbesondere ist das Ausgangsmaterial und/oder das Material fest (speziell kristallin) und das Material ist in einem Zwischenzustand des Materials während der thermischen Behandlung flüssig (oder weniger vorzugsweise umgekehrt). Bei der Synthese können Zwischenprodukte, die beim Material nicht eingebunden werden, aus dem Ausgangsmaterial entweichen (z. B. Wasserstoff).Most preferably, the 'material' is a material having a phase transition between the material and the starting material. In an embodiment, the material and the starting material may be the same material, which differ only in that the solid or crystalline phase has changed structurally or z. B. the starting material is amorphous, while the (end) material is crystalline. In one embodiment, one or more starting materials are present as the starting material, and the (end) material is formed by (thermal) synthesis through the thermal treatment by means of the material conversion arrangement or by means of the material conversion process. During the thermal treatment, the phase state of the starting material and / or (end) material changes, in particular the starting material and / or the material is solid (especially crystalline) and the material is liquid (or less) in an intermediate state of the material during the thermal treatment preferably vice versa). In the synthesis, intermediates that are not included in the material can escape from the starting material (eg, hydrogen).
Vorteilhaft ist der Temperatursensor entweder direkt in Kontakt mit dem Material bzw. dem Ausgangsmaterial (folglich auch mit dem Material des Zwischenzustands) oder in möglichst gutem thermischen Kontakt. Beispielsweise kontaktiert der Temperatursensor das Material/Ausgangsmaterial nicht (um Reaktionen mit dem Temperatursensormaterial zu vermeiden und/oder um einen Kristallisationsprozess nicht zu stören) und ist dazu am oder in einer Ausnehmung des Aufnahmegefäßes so dicht als möglich in Materialnähe angeordnet.Advantageously, the temperature sensor is either directly in contact with the material or the starting material (consequently also with the material of the intermediate state) or in the best possible thermal contact. For example, the temperature sensor does not contact the material / starting material (in order to avoid reactions with the temperature sensor material and / or not to disturb a crystallization process) and is arranged on or in a recess of the receptacle as close as possible to the vicinity of the material.
Vorzugsweise bewirkt der Phasenübergang des Materials (bzw. des Ausgangsmaterials) eine Temperaturänderung bzw. eine Temperaturanomalie. Vorzugsweise weisen das Material und/oder das Ausgangsmaterial am Phasenübergang eine sogenannte Phasen-Übergangstemperatur auf, bei der z. B. aufgrund von beim Übergang notwendiger bzw. freigesetzter Latenter Wärme eine Temperaturanomalie auftritt. Die während des Phasenübergangs auftretende Temperaturanomalie ist vorzugsweise eine Temperaturänderung oder -abweichung gegenüber einem zu erwartenden Temperaturverlauf ohne Vorhandensein des Phasenübergangs. Speziell ist die Temperaturanomalie eine Nicht-Änderung der Temperatur trotz der Änderung der Heizleistung bzw. der Ofentemperatur.Preferably, the phase transition of the material (or the starting material) causes a temperature change or a temperature anomaly. Preferably, the material and / or the starting material at the phase transition to a so-called phase transition temperature at the z. B. due to the transition necessary or released latent heat, a temperature anomaly occurs. The temperature anomaly occurring during the phase transition is preferably a temperature change or deviation from an expected temperature profile without the presence of the phase transition. Specifically, the temperature anomaly is a non-change of the temperature despite the change of the heating power or the oven temperature.
Beispiel einer Temperaturanomalie: Bei einer bestimmten Heizleistung stellt sich ein Gleichgewicht ein und damit eine konstante Temperatur. Wird bei einer Temperatur am Phasenübergang die Heizleistung erhöht, erhöht sich die Temperatur des Materials (bzw. des Ausgangsmaterials) zunächst nicht (Temperaturerhöhung des Materials ist verzögert), da die zugeführte Energie in die Übergangsenthalpie abgeführt wird (Erhöhung der Latenten Wärme). Umgekehrt: Wird bei einer Temperatur am Phasenübergang die Heizleistung erniedrigt, verringert sich die Temperatur des Materials zunächst nicht (Temperaturabsenkung des Materials ist verzögert), da die an die Umgebung abgegebene Energie aus der Übergangsenthalpie bzw. Latenten Wärme entnommen wird.Example of a temperature anomaly: At a certain heat output, an equilibrium sets in and thus a constant temperature. If the heating power is increased at a temperature at the phase transition, the temperature of the material (or of the starting material) initially does not increase ( Temperature increase of the material is delayed), since the supplied energy is dissipated into the transition enthalpy (increase of the latent heat). Conversely, if the heating power is lowered at a temperature at the phase transition, the temperature of the material initially does not decrease (the temperature decrease of the material is delayed), since the energy released to the environment is taken from the transition enthalpy or latent heat.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Ofenkammer dazu ausgelegt während der thermischen Behandlung mit einem Gas (z. B. Inertgas oder Schutzgas) geflutet zu werden oder evakuiert zu werden.In an advantageous embodiment, the furnace chamber is designed to be flooded during the thermal treatment with a gas (eg inert gas or inert gas) or to be evacuated.
Gemäß einer Ausgestaltung weist die Steuereinheit (bzw. eine in dieser angeordneten bzw. integrierten Recheneinheit) vorteilhaft einen Analog-Digital-Wandler (ADC) auf, um das im Normalfall analog vorliegende Temperatursignal in ein digitales Signal umzuwandeln für die weitere digitale Auswertung.According to one embodiment, the control unit (or a computing unit arranged or integrated therein) advantageously has an analog-to-digital converter (ADC) in order to convert the normally analogue temperature signal into a digital signal for further digital evaluation.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist das Aufnahmegefäß ein Tiegel und/oder das Aufnahmegefäß weist eine Bohrung oder Vertiefung auf, in der der Temperatursensor eingesetzt ist. Die Vertiefung kann ein Nut oder eine Bohrung oder ein längerer Kanal im oder durch das Tiegelmaterial sein. Dabei kann der Sensor, insbesondere ein Widerstandssensor, eine möglichst lange Strecke in der Nähe des Materials oder in Kontakt mit dem Material angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Bohrung oder die Vertiefung so, dass kein (direkter körperlicher) Kontakt zwischen Sensor und Material vorliegt, jedoch so, dass die thermische Ankopplung möglichst gut ist. Beispielsweise kann eine Vertiefung (z. B. Nut) (zumindest teilweise) um den Tiegel verlaufen, z. B. kreisförmig oder spiralförmig an der Außenwand des Aufnahmegefäßes entlang. Vorzugsweise ist der Abstand des im Tiegel verlegten Temperatursensors zumindest abschnittsweise kleiner als 0,5 mm.In an advantageous embodiment, the receptacle is a crucible and / or the receptacle has a bore or depression in which the temperature sensor is inserted. The recess may be a groove or bore or a longer channel in or through the crucible material. In this case, the sensor, in particular a resistance sensor, can be arranged as long as possible in the vicinity of the material or in contact with the material. Preferably, the bore or recess is such that there is no (direct physical) contact between the sensor and the material, but in such a way that the thermal coupling is as good as possible. For example, a recess (eg, groove) may (at least partially) extend around the crucible, e.g. B. circular or spiral along the outer wall of the receptacle along. Preferably, the distance of the temperature sensor installed in the crucible is at least partially smaller than 0.5 mm.
In Ausgestaltung ist der Tiegel bzw. das Aufnahmegefäß elektrisch isolierend und/oder thermisch gut leitend.In an embodiment, the crucible or the receptacle is electrically insulating and / or thermally well conductive.
Vorzugsweise ist der Temperatursensor mit einem Kleber in die Bohrung oder Vertiefung des Aufnahmegefäßes eingeklebt. Weiter vorzugsweise ist der Kleber hochtemperaturbeständig und/oder thermisch gut leitend und/oder elektrisch isolierend.Preferably, the temperature sensor is glued with an adhesive in the bore or recess of the receptacle. More preferably, the adhesive is high temperature resistant and / or thermally well conductive and / or electrically insulating.
Bei einer Ausgestaltung weist die Heizeinrichtung eine Leistungselektronik und zumindest ein Heizelement auf, wobei die Leistungselektronik die dem Heizelement zugeführte elektrische Leistung in Abhängigkeit des Leistungssteuersignals abgibt. Die Leistungselektronik ist beispielsweise ein Inverter, ein Netzteil mit Phasen-Anschnittsteuerung, ein Netzteil mit Impulsweitensteuerung oder dergleichen. Die Heizeinrichtung kann auch eine Verbrennungsheizung sein oder aufweisen, beispielsweise ein Gasbrenner bei dem mittels des Leistungssteuersignals die Gaszufuhr einstellbar ist.In one embodiment, the heating device has power electronics and at least one heating element, wherein the power electronics emits the electric power supplied to the heating element as a function of the power control signal. The power electronics, for example, an inverter, a power supply with phase control gate, a power supply with pulse width control or the like. The heating device can also be or have a combustion heater, for example a gas burner in which the gas supply can be set by means of the power control signal.
Vorzugsweise ist die (mittlere) abgegebene Leistung der Leistungselektronik proportional zu Leistungssteuersignal.Preferably, the (average) output power of the power electronics is proportional to the power control signal.
Vorteilhaft weist die Anordnung eine Signalverarbeitungseinheit mit einem Eingang zum Zuführen des Temperatursignals und/oder mit einem Ausgang zum Ausgeben des verarbeiteten Temperatursignals auf, wobei dem Eingang der Steuereinheit das verarbeitete Temperatursignal zugeführt wird.Advantageously, the arrangement has a signal processing unit with an input for supplying the temperature signal and / or with an output for outputting the processed temperature signal, wherein the input of the control unit, the processed temperature signal is supplied.
Gemäß einer Ausgestaltung führt die Signalverarbeitungseinheit eine phasen-sensitive Signalverstärkung durch und/oder weist einen Lock-In-Verstärker auf oder ist ein Lock-In-Verstärker. Beispielsweise wird dem Temperatursensor ein Signal (z. B. Strom/Spannung bei Widerstandstemperatursensor) zugeführt, das moduliert ist, so dass anhand des modulierten Signals die phasen-sensitive Signalverstärkung (Rauschunterdrückung) durchgeführt werden kann. Mittels der phasen-sensitiven Signalverstärkung werden beispielsweise Störspannungen oder -ströme z. B. durch die Ofenheizung unterdrückt.According to one embodiment, the signal processing unit performs a phase-sensitive signal amplification and / or has a lock-in amplifier or is a lock-in amplifier. For example, the temperature sensor is supplied with a signal (eg current / voltage at resistance temperature sensor) which is modulated, so that the phase-sensitive signal amplification (noise suppression) can be carried out on the basis of the modulated signal. By means of the phase-sensitive signal amplification, for example, interference voltages or currents z. B. suppressed by the furnace heating.
Vorteilhaft weist die Anordnung ein im Ofenraum angeordnetes Referenzmaterial oder eine im Ofenraum angeordnete Referenzmessstelle und einen Referenztemperatursensor auf. Damit wird die Temperatur des Referenzmaterials oder der Referenzmessstelle erfasst.Advantageously, the arrangement has a reference material arranged in the furnace chamber or a reference measuring point arranged in the furnace chamber and a reference temperature sensor. This records the temperature of the reference material or the reference measuring point.
Der Referenztemperatursensor gibt ein der Referenztemperatur entsprechendes Referenztemperatursignal aus. Weiter vorteilhaft weist die Steuereinheit einen Eingang für das Referenztemperatursignal auf und bestimmt eine durch einen Phasenübergang des Materials oder des Ausgangsmaterials bewirkte Temperaturänderung als Funktion des Temperatursignals des Material oder Ausgangsmaterials und des Referenztemperatursignals. Vorzugsweise wird auch das Referenztemperatursignal durch eine bzw. die (s. o.) Signalverarbeitungseinheit verarbeitet. In Ausgestaltung kann die Referenzmessstelle an einer Stelle angeordnet sein, an der ein Ofentemperatursensor angeordnet ist und/oder der Referenztemperatursensor ist der bzw. ein Ofentemperatursensor.The reference temperature sensor outputs a reference temperature signal corresponding to the reference temperature. Further advantageously, the control unit has an input for the reference temperature signal and determines a caused by a phase transition of the material or the starting material temperature change as a function of the temperature signal of the material or starting material and the reference temperature signal. Preferably, the reference temperature signal is also processed by one or the signal processing unit (see above). In an embodiment, the reference measuring point can be arranged at a location at which a furnace temperature sensor is arranged and / or the reference temperature sensor is or an oven temperature sensor.
Mittels des Referenztemperatursignals wird beispielsweise ein Differenz-Thermosignal bestimmt, aus welchem dann das Einsetzen oder der momentane Stand des Phasenübergangs bestimmt wird. Ein solches Differenz-Thermosignal ist aus der Differenz-Thermoanalyse (DTA) bekannt – vgl.
Bevorzugt sind der Temperatursensor und/oder der Referenztemperatursensor ein Widerstandssensor, ein Messdraht, ein NTC-Sensor oder ein Thermoelement. Besonders bevorzugt ist dies ein Widerstandssensor. Kommt ein Widerstandssensor (auch Messdraht, NTC) zum Einsatz, so ist vorzugsweise die Länge kurz gehalten und erstreckt sich nur wenige Millimeter aus dem Aufnahmegefäß (z. B. Tiegel) heraus.The temperature sensor and / or the reference temperature sensor are preferably a resistance sensor, a measuring wire, an NTC sensor or a thermocouple. This is particularly preferably a resistance sensor. If a resistance sensor (also measuring wire, NTC) is used, the length is preferably kept short and extends only a few millimeters out of the receptacle (eg crucible).
Vorzugsweise sind die Enden des Temperatursensors (z. B. Widerstandsensor) mit niederohmigen Leitern (bezogen auf Ohm pro Längeneinheit) verbunden, so dass die Widerstandsänderung des Sensors mit Zuleitungen im Wesentlichen durch den Widerstandssensor selbst bestimmt ist.Preferably, the ends of the temperature sensor (eg, resistance sensor) are connected to low-resistance conductors (in terms of ohms per unit length), so that the change in resistance of the sensor with leads is essentially determined by the resistance sensor itself.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt das Material bzw. das Ausgangsmaterial im festen Zustand vor und während des thermischen Aufheizens findet der Phasenübergang zum flüssigen Zustand des (Zwischen-)Materials statt. In weiterer Ausgestaltung ist der feste Zustand des (End-)Materials kristallin oder das Material weist Kristalle auf. In Ausgestaltung ist das Ausgangsmaterial fest und kann (im Vergleich zum (End-)Material) kleinere Kristallite oder eine polykristalline Struktur aufweisen.In an advantageous embodiment, the material or the starting material is in the solid state and during the thermal heating of the phase transition to the liquid state of the (intermediate) material takes place. In a further embodiment, the solid state of the (final) material is crystalline or the material has crystals. In an embodiment, the starting material is solid and may have (compared to the (end) material) smaller crystallites or a polycrystalline structure.
Gemäß Anspruch 10 ist ein Verfahren zum Steuern der Heizleistung bei einer Materialumwandlungs-Anordnung vorgesehen, insbesondere bei einer Anordnung zum Züchten von Kristallen und/oder bei einer Anordnung wie vor und nachstehend beschrieben. Vorteilhaft weist die Materialumwandlungs-Anordnung auf: einen Ofen mit einem Ofenraum; ein im Ofenraum angeordnetes Aufnahmegefäß zum Aufnehmen eines Materials oder eines Ausgangsmaterials; eine Heizeinrichtung zum Heizen des Ofenraums, wobei die Heizleistung der Heizeinrichtung mittels eines Leistungssteuersignals einstellbar ist; einen Temperatursensor zum Messen der Temperatur des Aufnahmegefäßes und/oder des Materials bzw. des Ausgangsmaterials und zum Ausgeben eines der Temperatur entsprechenden Temperatursignals; und eine Steuereinheit zum Einstellen der Heizleistung der Heizeinrichtung. Vorteilhaft weist das Verfahren die Schritte auf: Änderung der Temperatur im Ofenraum; Erfassen der Temperatur des Materials; Ermitteln einer Temperaturanomalie oder -abweichung; und Einstellen der Heizleistung in Abhängigkeit der ermittelten Temperaturanomalie oder -änderung des Temperatursignals.According to
In Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Einstellen der Heizleistung in Abhängigkeit der ermittelten Temperaturanomalie oder -änderung gemäß einem oder mehreren der folgenden Schritte:
- – Einstellen eines zeitlichen Temperaturverlaufs mittels eines Temperaturprofils, das in Abhängigkeit der ermittelten Temperaturanomalie oder -änderung ausgewählt ist,
- – in einem vorgegebenen Temperaturbereich um die Temperatur der Temperaturanomalie oder -änderung erfolgt eine sehr langsame Änderung der Ofentemperatur,
- – außerhalb eines oder des vorgegebenen Temperaturbereichs um die Temperatur der Temperaturanomalie oder -änderung erfolgt eine schnelle Änderung der Ofentemperatur, insbesondere oberhalb und/oder unterhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs,
- – in einem oder dem vorgegebenen Temperaturbereich um die Temperatur der Temperaturanomalie oder -änderung erfolgt eine zyklische Temperaturerhöhung und -erniedrigung, wobei insbesondere die zyklische Temperaturerhöhung oder -erniedrigung im Mittel zu einer sehr langsamen Änderung der Ofentemperatur führt.
- Setting a temporal temperature profile by means of a temperature profile selected as a function of the determined temperature anomaly or change,
- In a predetermined temperature range around the temperature of the temperature anomaly or change takes place a very slow change in the furnace temperature,
- Outside of or the predetermined temperature range around the temperature of the temperature anomaly or change takes place a rapid change of the oven temperature, in particular above and / or below the predetermined temperature range,
- - In one or the predetermined temperature range around the temperature of the temperature anomaly or change occurs a cyclic temperature increase and decrease, in particular, the cyclic temperature increase or decrease on average leads to a very slow change in the furnace temperature.
Die Temperaturänderung kann eine Temperaturerhöhung oder vorzugsweise -erniedrigung sein. Vorteilhaft umfasst oder beinhaltet der vorgegebene Temperaturbereich die Temperatur Tph, bei der die Temperaturanomalie bzw. -änderung auftritt. Weiter vorteilhaft ist der Temperaturbereich begrenzt
- – nach unten durch Tph –1%, –2%, –3%, –5%, –8%, –10%, –15% oder –20% (Beispiel: Tph –10% bei Tph = 1000°C ist ein unterer Wert von 900°C), und/oder
- – nach oben durch Tph +1%, +2%, +3%, +5%, +8%, +10%, +15% oder +20%.
- Down through Tph -1%, -2%, -3%, -5%, -8%, -10%, -15% or -20% (Example: Tph -10% at Tph = 1000 ° C a lower value of 900 ° C), and / or
- - upwards by Tph + 1%, + 2%, + 3%, + 5%, + 8%, + 10%, + 15% or + 20%.
Eine zyklische Temperaturerhöhung und -absenkung erfolgt vorzugsweise innerhalb eines Korridors um einen Mittelwert, der konstant sein kann (im Mittel ohne Temperaturänderung), fallen kann, oder steigen kann (im Mittel eine Temperaturerhöhung).A cyclical increase and decrease in temperature preferably takes place within a corridor about an average, which may be constant (on average without temperature change), may fall, or may rise (on average a temperature increase).
Hierin sind die Begriffe 'sehr langsam' und 'sehr schnell' aufeinander bezogen.Herein the terms 'very slow' and 'very fast' are related.
Vorteilhaft erfolgt die Änderung der Temperatur des Ofens über einen Bereich, der die Temperatur Tph des erwarteten Phasenübergangs mit umfasst; und/oder die Änderung der Temperatur des Ofens umfasst das Durchlaufen des Temperaturbereichs mit dem Phasenübergang durch Temperaturerhöhung einmal, zweimal, dreimal oder mehr als dreimal, und/oder die Änderung der Temperatur des Ofens umfasst das Durchlaufen des Temperaturbereichs mit dem Phasenübergang durch Temperaturabsenkung einmal, zweimal, dreimal oder mehr als dreimal.Advantageously, the change in the temperature of the furnace is over a range including the temperature Tph of the expected phase transition; and / or changing the temperature of the furnace, passing through the temperature range with the temperature increase phase transition once, twice, three times or more than three times, and / or changing the temperature of the furnace, passing through the temperature range with the temperature reduction phase transition once, twice, three times or more than three times.
Die Ermittlung der Temperatur Tph des Phasenübergangs kann erfolgen durch oder umfasst eine Funktion der einmaligen, zweimaligen, dreimaligen oder mehrmaligen Ermittlung der Temperatur des Phasenübergangs während einer Temperaturerhöhung und/oder während einer Temperaturabsenkung.The determination of the temperature Tph of the phase transition can be carried out by or comprises a function of the one-time, two-time, determining the temperature of the phase transition three times or more during a temperature increase and / or during a temperature reduction.
Die oben offenbarten Merkmale der Erfindung sind untereinander in jeder Kombination oder Unterkombination kombinierbar, insbesondere sind Verfahrensmerkmale mit Vorrichtungsmerkmalen (oder umgekehrt) in jeder Kombination oder Unterkombination kombinierbar. Darüber hinaus sind die oben offenbarten Merkmale oder Merkmalskombinationen mit jedem Merkmal der unten beschriebenen detaillierten oder grundlegenden Beschreibung einzeln oder in beliebigen Unterkombinationen kombinierbar.The above-disclosed features of the invention can be combined with each other in any combination or sub-combination, in particular, process features with device features (or vice versa) in any combination or sub-combination can be combined. Moreover, the features or combinations of features disclosed above may be combined with any feature of the detailed or basic description described below, individually or in any sub-combination.
Anhand von Figuren wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Die Figuren zeigen:With reference to figures, an embodiment of the invention will be explained in more detail. The figures show:
Die schematische Darstellung von
Im Ofenraum
Am Tiegel
Im dargestellten Beispiel sind die Enden des Temperatursensors
Das Ausgangssignal des Signalverstärkers
Als Ergebnis der Signalverarbeitung und -auswertung wird ein Leistungssteuersignal erzeugt, das von der Steuereinheit
Die Steuerung durch die Steuereinheit
Die Temperatur des Ofens
In
Für die Kristallzucht ist ganz besonders bevorzugt der Liquidus-Phasenübergang der relevante Phasenübergang, der stellvertretend mit Tph– bezeichnet wird, da bei diesem Temperaturübergang Tph– die Keimbildung und das Wachstum der gewünschten Phase einsetzen. Im Folgenden wird die Phasenübergangstemperatur beim Aufheizen mit Tph+ und die beim Abkühlen mit Tph– bezeichnet, wobei in
Weiterhin zeigt
In Hinsicht auf die messtechnische Feststellung der Phasenanomalie anhand der Abweichung zwischen dem gemessenen Temperaturverlauf Tsens und dem idealen Temperaturverlauf Tid ist anzumerken, dass der ideale Verlauf beispielsweise aus einer Referenzmessung der Ofentemperatur (Sensor
Beim Schritt S2 wird der Ofen
Die während der Abkühlung (S6) aufgezeichnete Materialtemperatur Thy wird im Schritt S8 ausgewertet und daraus die Phasentemperatur Tph– des Abkühlens ermittelt. Nach dem Schritt S8 wird beim Schritt S10 das Material wieder aufgeheizt auf eine Temperatur knapp oberhalb der ersten Phasentemperatur Tph+(1), zum Beispiel auf eine Temperatur T = Tph+(1) + 5%. Im Schritt S12 wird aus der gemessenen Materialtemperatur Tsens eine zweite Phasentemperatur Tph+(2) des Aufheizens bestimmt.The material temperature Thy recorded during the cooling (S6) is evaluated in step S8 and the phase temperature Tph- of the cooling is determined therefrom. After step S8, in step S10, the material is reheated to a temperature just above the first phase temperature Tph + (1), for example, to a temperature T = Tph + (1) + 5%. In step S12, a second phase temperature Tph + (2) of the heating is determined from the measured material temperature Tsens.
Beim Schritt S14 wird eine 'rechnerische' Phasentemperatur Tph festgelegt, die eine der ermittelten Temperaturen Tph+(1), Tph+(2) oder Tph–, eine Funktion von zweien der ermittelten Temperaturen (z. B. Mittelwert von Tph+(1) und Tph+(2)), oder eine Funktion der drei ermittelten Temperaturen Tph = f(Tph+(1), Tph+(2), Tph–) sein kann.In step S14, a 'computational' phase temperature Tph is determined which is one of the determined temperatures Tph + (1), Tph + (2) or Tph-, a function of two of the determined temperatures (eg, average of Tph + (1) and Tph + (2)), or a function of the three temperatures determined may be Tph = f (Tph + (1), Tph + (2), Tph-).
Anhand der berechneten Phasentemperatur Tph wird dann der Ofen extrem langsam abgekühlt bis auf eine Temperatur von z. B. T = Tph – 50%, so dass während dieses extrem langsamen Abkühlens die Kristallbildung optimiert ist. Da der extrem langsame Abkühlvorgang knapp oberhalb der Phasentemperatur Tph beginnt und unterhalb der Phasentemperatur Tph endet, ist es aufgrund der nun genau bekannten Phasentemperatur nicht notwendig, einen größeren Temperaturbereich unter extrem langsamer Abkühlung zu durchlaufen, so dass der Kristallzüchtprozess erheblich verkürzt ist und sich auf den relevanten Temperaturbereich konzentriert.Based on the calculated phase temperature Tph then the furnace is cooled extremely slowly to a temperature of z. T = Tph - 50%, so that crystal formation is optimized during this extremely slow cooling. Since the extremely slow cooling process begins just above the phase temperature Tph and ends below the phase temperature Tph, it is not necessary to go through a wider temperature range under extremely slow cooling due to the now well known phase temperature, so that the crystal growth process is considerably shortened and on the concentrated in the relevant temperature range.
Da sich (je nach Eigenschaften des Materials) das Kristallwachstum bis deutlich unterhalb der Phasentemperatur Tph fortsetzen kann, erfolgt in Ausgestaltung die extrem langsame Abkühlung beispielsweise bis Tph – 50%, Tph – 70%, Tph – 40% oder Tph – 30%. Bei Materialsystemen, bei denen der Temperaturübergangsbereich bis zum vollständigen Erstarren kleiner ist, kann die Temperatur bis zu der extrem langsam abgekühlt wird bei Tph – 20%, Tph – 10% oder Tph – 5% liegen. Beim vollständigen Erstarren sind die Keimbildung und folglich auch die Keimauslese beendet.Since (depending on the properties of the material) the crystal growth can continue until well below the phase temperature Tph, in the embodiment the extremely slow cooling takes place for example up to Tph - 50%, Tph - 70%, Tph - 40% or Tph - 30%. For material systems where the temperature transition range is smaller until complete solidification, the temperature at which the temperature is cooled extremely slowly can be Tph-20%, Tph-10% or Tph-5%. When completely frozen the nucleation and consequently the germ selection are finished.
Beim Schritt S18 erfolgt ein schnelles Abkühlen, nachdem bei S16 die Temperatur unterhalb Tph angelangt ist. Anstelle des schnellen Abkühlens kann auch der Tiegel
Da wie oben erwähnt für die selektive Auswahl des Temperaturbereichs, in dem die sehr langsame Abkühlung erfolgt, der Liquidus-Phasenübergang beim Abkühlen Tph– entscheidend ist, kann in Ausgestaltung vorgesehen werden, dass dieser Phasenübergang durch mehrfaches schnelles Abkühlen von einem Bereich T > Tph– nach T < Tph– erfolgt, während der Wert Tph– (für Tph) ermittelt wird. Beispielsweise kann so zweimal, dreimal oder fünfmal oder zwei- bis fünfmal der Wert ermittelt und anschließend gemittelt werden.Since, as mentioned above, for the selective selection of the temperature range in which the very slow cooling takes place, the liquidus phase transition upon cooling is Tph-critical, it can be provided in an embodiment that this phase transition is achieved by repeated rapid cooling from a range T> Tph-. after T <Tph-, while the value Tph- (for Tph) is determined. For example, the value can be determined twice, three times or five times or two to five times and then averaged.
Auch hier ist der Vorteil des Verfahrens hervorzuheben, da die oft von DTA- oder DSC-Messungen bekannten Temperaturangaben für den Phasenübergang (Solidus/Liquidus) normalerweise beim Aufheizvorgang gemessen werden. Aufgrund der Unterkühlung können aber die Phasenübergangstemperaturen Tph– um bis zu 20% unterhalb der Übergangstemperaturen Tph+ liegen.Here too, the advantage of the method is to be emphasized, since the temperature data for the phase transition (solidus / liquidus), which are often known from DTA or DSC measurements, are normally measured during the heating process. Due to hypothermia, however, the phase transition temperatures Tph can be up to 20% below the transition temperatures Tph +.
Durch das zyklische Abkühlen werden die Ausbildung eines einzelnen Kristalliten bzw. Einkristalls und die Verunreinigungsdiffusion von wachsenden Kristalliten weg begünstigt.The cyclic cooling promotes the formation of a single crystallite and the impurity diffusion away from growing crystallites.
Grundlagen und weitere Anordnungs- und VerfahrensdetailsBasics and other arrangement and process details
Im Folgenden werden die Grundlagen der erfindungsgemäßen Temperaturkontrolle und der Materialumwandlungs- bzw. -synthese-Anordnung beschrieben. Die nachfolgend offenbarten Merkmale sind einzeln oder in jeder beliebigen Unterkombination oder Kombination mit den oben in der Beschreibungseinleitung und/oder der detaillierten Beschreibung offenbarten Merkmalen der Anordnung oder des Verfahrens kombinierbar. Umgekehrt sind die nachfolgend offenbarten Merkmale mit jeder der oben in der Beschreibungseinleitung und/oder der detaillierten Beschreibung offenbarten Merkmalen oder Unterkombination oder Kombination von Merkmalen kombinierbar.The following describes the principles of the temperature control according to the invention and the material conversion and / or synthesis arrangement. The features disclosed below may be combined individually or in any sub-combination or combination with the features of the arrangement or method disclosed above in the introduction to the description and / or the detailed description. Conversely, the features disclosed below can be combined with any of the features disclosed above in the description introduction and / or the detailed description or sub-combination or combination of features.
Grundlagen der TemperaturkontrolleBasics of temperature control
Die Temperaturkontrolle in herkömmlichen Ofenanlagen erfolgt über eine Messung der Temperatur, dem Vergleich dieser mit einem Soll-Wert und der entsprechenden Anpassung der Heizleistung. Der Zustand des erhitzten Materials selbst und dessen mögliche Reaktion auf eine Temperaturänderung werden dabei nicht berücksichtigt. Soll ein Phasenübergang, zum Beispiel das Erstarren einer Schmelze bei langsamem Abkühlen, gezielt und wohlkontrolliert hervorgerufen werden, so muss die entsprechende Übergangstemperatur aus vorhergehenden Untersuchungen bereits bekannt sein und das Temperaturprofil des Ofens entsprechend eingestellt werden. Die Bestimmung solcher (Phasen)-Übergangstemperaturen als Funktion der Zusammensetzung eines Stoffgemisches (im Folgenden als Material bezeichnet) erfolgt standardmäßig mittels differenzieller Thermoanalyse (DTA) oder dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC). Während beide Prozesse-Bestimmung von Übergangstemperatur und eigentliche Materialumwandlung – bisher strikt getrennt sind, können sie bei der erfindungsgemäßen Anordnung
Stand der TechnikState of the art
Phasenübergangstemperaturen können mittels DTA/DSC mit hoher Genauigkeit bestimmt werden, z. B. die Liquidus- und Solidus-Temperatur von Legierungen (siehe oben). Zur Anwendung kommen vorzugsweise kleinvolumige Tiegel (z. B. ca. 5 mm3) um eine möglichst homogene Temperatur über das gesamte Materialvolumen zu gewährleisten. Neben dem das Material beinhaltenden Tiegel kommt bei herkömmlichem DTA/DSC ein zweiter (Referenz)-Tiegel zum Einsatz. Die Detektion von Phasenübergängen basiert stets auf der Temperaturdifferenz (bzw. dem Unterdrücken dieser durch einen zu messenden Energieeintrag) zwischen den beiden Tiegeln. Auf diese Art erhaltene Informationen zur Phasenbildung sind in Form von Phasendiagrammen zusammengetragen und für eine Vielzahl binärer Legierungen publiziert (
- – die Temperatur am Ort des Ofen-Thermometers (vgl. 13) kann deutlich von der Temperatur am Ort des Materials abweichen,
- – das Ofen-Thermometer (z. B. 13) unterliegt Alterungseffekten, die zu signifikanten Abweichungen zwischen nomineller und tatsächlicher Temperatur führen können,
- – die Phasenübergangstemperatur kann signifikant von Verunreinigungen beeinflusst sein, deren Konzentration sich deutlich von der während der in einem separaten Verfahren und Messapparatur durchgeführten DTA/DSC-Messung vorliegenden unterscheiden kann,
- – die Unterkühlung und deren Abhängigkeit von Verunreinigungen beeinflusst die Phasenbildung beim Abkühlen (Kristallisation aus der Schmelze),
- – für eine Vielzahl von mehr-komponentigen Verbindungen liegt kein Phasendiagramm vor oder beinhaltet die relevante Zusammensetzung nicht.
- - the temperature at the location of the furnace thermometer (see 13) may differ significantly from the temperature at the location of the material,
- The oven thermometer (eg 13) is subject to aging effects which can lead to significant deviations between nominal and actual temperature,
- The phase transition temperature may be significantly influenced by impurities whose concentration may differ significantly from that present during the DTA / DSC measurement carried out in a separate process and measuring apparatus,
- The subcooling and its dependence on impurities influences the phase formation during cooling (crystallization from the melt),
- For a plurality of multi-component compounds, there is no phase diagram or contain the relevant composition.
Der Zustand eines Materials ist somit nicht eindeutig durch die auf dem Ofenthermometer angegebene Temperatur charakterisiert. Soll z. B. ein Einkristall aus einer Schmelzlösung gezüchtet werden, so muss die Liquidustemperatur zunächst deutlich überschritten sein und die Schmelze muss im Anschluss langsam abgekühlt werden. Die erwähnten Unabwägbarkeiten machen es erforderlich, den (langsamen) Abkühlprozess üblicherweise bereits 100°C über der nominellen Liquidustemperatur zu beginnen.The condition of a material is thus not clearly characterized by the temperature indicated on the oven thermometer. Should z. For example, when a single crystal is grown from a melt solution, the liquidus temperature must first be significantly exceeded and the melt subsequently cooled slowly. The aforementioned uncertainties make it necessary to start the (slow) cooling process usually already 100 ° C above the nominal liquidus temperature.
Berücksichtig man noch eine mögliche Unterkühlung der Schmelze um bis zu 20%, so verstreichen bei einer Abkühlrate von 2°C/h unter Umständen mehrere Tage bis der Kristallisationsprozess überhaupt einsetzt. Besonders während der Keimbildung wäre jedoch eine noch geringere Abkühlrate wünschenswert, um ein Verwachsen der Kristallite zu verhindern und möglichst wenige, große Einkristalle zu erhalten. Zeit- und Energieaufwand sowie ein möglicher, langsamer Angriff des Tiegelmaterials durch die Schmelzlösung begrenzen die Abkühlrate entsprechend.Taking into account a possible supercooling of the melt by up to 20%, it may take several days for the crystallization process to start at a cooling rate of 2 ° C./h. However, even during nucleation, an even lower cooling rate would be desirable to prevent coalescence of the crystallites and to obtain as few, large single crystals as possible. Time and energy consumption as well as a possible, slow attack of the crucible material by the melt solution limit the cooling rate accordingly.
Die Anpassung gängiger DTA/DSC-Apparaturen auf die Bedürfnisse der Materialumwandlung bzw. -synthese und insbesondere der Einkristallzüchtung wäre mit inhärenten Schwierigkeiten verbunden. Die Kopplung an die Ofensteuerung ist jedoch nicht in Betracht gezogen worden und bei den bekannten Apparaturen auch technisch nicht umsetzbar. Darüber hinaus erfordert der herkömmliche Aufbau das Eintauchen des Thermoelementes in die Schmelze, was zu unerwünschten Reaktionen führen und die Keimbildung sowie das Kristallwachstum negativ beeinflussen kann. Im Allgemeinen erfordert der für DTA/DSC notwendige Referenztiegel eine Vergrößerung des Ofenraumes um mehr als das doppelte und führt zwangsläufig zu einem asymmetrischen Temperaturgradienten.The adaptation of common DTA / DSC equipment to the needs of material conversion, and particularly single crystal growth, would be inherently difficult. However, the coupling to the furnace control has not been taken into consideration and technically unworkable in the known apparatuses. In addition, the conventional design requires immersion of the thermocouple in the melt, which can lead to undesirable reactions and adversely affect nucleation and crystal growth. In general, the reference crucible required for DTA / DSC requires more than double the size of the furnace space and inevitably leads to an asymmetric temperature gradient.
Funktionsweise und Aufbau der ErfindungOperation and structure of the invention
Ergänzend zur obigen Beschreibung ist weiter auszuführen: Die Detektion von Phasenübergängen bei der oben beschriebenen Anordnung
In Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass auch bei der erfindungsgemäßen Anordnung
Die Größe der, durch einen Phasenübergang im Kristallzuchtprozess hervorgerufenen, Anomalie im zeitlichen Verlauf der Temperatur beträgt üblicherweise nur einen Bruchteil des jeweiligen Absolutwerts (ca. 10–2 bis 10–4). Die Messung solch kleiner Veränderungen ist beispielsweise durch phasensensitive Messung des elektrischen Widerstandes mittels Lock-In-Technik möglich – siehe beim obigen Beispiel den Lock-In-Verstärker
Zur Kontaktierung des Messdrahtes
Als technisch herausfordernd hat sich die stabile Kontaktierung des Messdrahtes
Elemente der Erfindung (Neuerungen)Elements of the invention (innovations)
Findet ein Phasenübergang während eines Synthese- oder Umwandlungsprozesses in der Umwandlungs-Anordnung
Der Zustand eines Materials
Vorteile und VerbesserungenAdvantages and improvements
Die in-situ Detektion der Keimbildung während der Einkristallzüchtung aus einer Schmelzlösung erlaubt eine bisher unerreichte Kontrolle des Temperaturprofils während des Kristallwachstums. Zum einen kann die Temperatur nach Einsetzen der Kristallisation sehr langsam erniedrigt werden. Dies ermöglicht eine optimale Diffusion von gelöster Substanz hin zur Wachstumsfront des Einkristalls. Analog hierzu wird die Anhäufung von Verunreinigungen an der Wachstumsfront unterdrückt. Zum anderen kann die Temperatur zyklisch bzw. oszillierend um die Liquidustemperatur gefahren werden (vgl.
Unerwünschte Reaktionen und Phasenübergänge durch zu hohe oder zu niedrige Temperaturen können nachgewiesen, bereits im Ansatz unterdrückt und, falls reversibel, durch rapides Erhöhen/Verringern der Heizleistung rückgängig gemacht werden. Auch im nicht-reversiblen Falle dient die gewonnene Information der Materialcharakterisierung und Optimierung nachfolgender Versuche.Undesirable reactions and phase transitions due to excessive or too low temperatures can be detected, suppressed in the initial stage and, if reversible, reversed by rapidly increasing / decreasing the heating power. Even in the non-reversible case, the information obtained serves to characterize the material and to optimize subsequent experiments.
Neben der in-situ Anwendbarkeit zeigen sich im Vergleich zu den herkömmlichen, bei der Analyse von Phasenübergängen eingesetzten, thermometrischen Methoden weitere Vorteile:
- – Übliche Thermoelemente zeigen eine
Auflösung von 40 μV/Kelvin (die Thermospannung ist dabei eine Materialkonstante).Über den Messdraht 14 im Rückkopplungsofen werden bis zu 300 μV/Kelvin erreicht, wobei eine weitere Optimierung durch Anpassen von Stromstärke und Drahtgeometrie möglich ist. - – Die
über den Messdraht 14 abfallende Spannung kann phasen-sensitiv ausgelesen werden, was ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis ermöglicht. Vor allem wird die Spannungsmessung nicht durch die elektrischenFelder der Heizstäbe 6 desOfens 4 verfälscht. Eine phasensensitive Messung der Spannung von Thermoelementen ist dagegen prinzipiell nicht möglich (da diese auf Diffusionsprozessen der Ladungsträger basiert und nicht extern angeregt wird). - – Da eine gute thermische Ankopplung der Messstelle erforderlich ist, müssen Draht
14 bzw. Thermoelement sorgfältig anden Tiegel 10 geklebt werden und sind somit nur einmal verwendbar. Dies führt im Falle des Thermoelementes zu einem erheblichen Kostenfaktor (zweistelliger Euro-Betrag), während der Preis für den Messdraht im Cent-Bereich liegt. - – Durch geeignete Konstruktion des Messdrahtes
14 kann dieser neben seiner Funktion als Thermometer auch als Kältefinger genutzt werden. Die Kristallisation (z. B. aus Schmelzlösungen) und die damit verbundene Freisetzung latenter Wärme setzt somit bevorzugt in unmittelbarer Nähe der Messstelle ein, was die Detektion der entsprechenden Anomalie im Temperaturverlauf erleichtert.
- - Typical thermocouples show a resolution of 40 μV / Kelvin (the thermoelectric voltage is a material constant). Over the measuring
wire 14 in the feedback furnace up to 300 μV / Kelvin can be achieved, with further optimization by adjusting the current and wire geometry is possible. - - The over the measuring
wire 14 decaying voltage can be read phase-sensitive, which allows a high signal-to-noise ratio. Above all, the voltage measurement is not due to the electric fields of theheating elements 6 of theoven 4 falsified. A phase-sensitive measurement of the voltage of thermocouples is in contrast, not possible in principle (since this is based on diffusion processes of the charge carriers and is not excited externally). - - Since a good thermal coupling of the measuring point is required, must wire
14 or thermocouple carefully to thecrucible 10 are glued and are therefore only usable once. In the case of the thermocouple, this leads to a considerable cost factor (two-digit euro amount), while the price for the measuring wire is in the cent range. - - By suitable construction of the
measuring wire 14 This can be used in addition to its function as a thermometer as a cold finger. The crystallization (eg from melt solutions) and the associated release of latent heat thus preferably takes place in the immediate vicinity of the measuring point, which facilitates the detection of the corresponding anomaly in the course of the temperature.
Stand der Entwicklungstate of development
Die Funktionalität des Rückkopplungsofens konnte anhand eines ersten Versuchsaufbaues, bestehend aus Ofenkammer
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 22
- Materialumwandlungs-Anordnung (Kristallzucht-Anlage)Material Conversion Arrangement (Crystal Growing Plant)
- 44
- Hochtemperatur-OfenHigh-temperature furnace
- 66
- Heizelement (Heizstäbe)Heating element (heating rods)
- 88th
- Ofenkammerfurnace chamber
- 99
- Ofenraumfurnace
- 1010
- Tiegelcrucible
- 1212
- Kristall/SchmelzeCrystal / melt
- 1313
- Temperatursensor (Ofentemperatur)Temperature sensor (oven temperature)
- 1414
- Widerstandsdraht (Temperatursensor)Resistance wire (temperature sensor)
- 1616
- Leiterladder
- 1818
- Leitungencables
- 2020
- Lock-In-Verstärker (Signalverstärker bzw. Phasenempfindlicher Verstärker)Lock-in amplifier (signal amplifier or phase-sensitive amplifier)
- 2222
- Steuereinheitcontrol unit
- 2424
- Prozessoreinheitprocessor unit
- 2626
- Netzteilpower adapter
- 2828
- Zuleitungsupply
- 3030
- Netzanschlussmains connection
- 3434
- Wicklungwinding
- 3636
- leitender Klebstoffconductive adhesive
- 4040
- SeitenwandSide wall
- 4242
- Bodenground
- 4444
- Nutgroove
- 4646
- KleberGlue
- Tphtph
- Phasenübergangstemperatur (gemittelt)Phase transition temperature (averaged)
- Tph+tph +
- Phasenübergangstemperatur beim AufheizenPhase transition temperature during heating
- Tph–TPH
- Phasenübergangstemperatur beim AbkühlenPhase transition temperature on cooling
- TsensTsens
- Temperaturverlauf beim AufheizenTemperature course during heating
- ThyThy
- Temperaturverlauf beim AbkühlenTemperature course during cooling
- TidTid
- linearer Temperaturverlauflinear temperature profile
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- DIN 53765 [0023] DIN 53765 [0023]
- T. B. Massalski, ”Binary Alloy Phase Diagrams”, American Society for Metals, Materials Park, Ohio (1990) [0071] TB Massalski, "Binary Alloy Phase Diagrams", American Society for Metals, Materials Park, Ohio (1990) [0071]
Claims (13)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102016010974.2A DE102016010974A1 (en) | 2016-09-13 | 2016-09-13 | Material conversion arrangement and method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102016010974.2A DE102016010974A1 (en) | 2016-09-13 | 2016-09-13 | Material conversion arrangement and method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102016010974A1 true DE102016010974A1 (en) | 2018-03-15 |
Family
ID=61247023
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102016010974.2A Pending DE102016010974A1 (en) | 2016-09-13 | 2016-09-13 | Material conversion arrangement and method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102016010974A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111610222A (en) * | 2019-05-22 | 2020-09-01 | 北新集团建材股份有限公司 | System and method for detecting temperature regulation performance of phase change material |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1519863A1 (en) | 1964-03-18 | 1970-02-26 | Siemens Ag | Procedure for pulling crystals |
US6110274A (en) | 1997-07-02 | 2000-08-29 | Sharp Kabushiki Kaisha | Process and apparatus for producing polycrystalline semiconductor |
US6136091A (en) | 1997-06-23 | 2000-10-24 | Sharp Kabushiki Kaisha | Process and apparatus for producing polycrystalline semiconductor ingot |
CN104010968A (en) | 2011-12-22 | 2014-08-27 | 夏普株式会社 | Polycrystalline silicon ingot, process for producing same, and uses thereof |
-
2016
- 2016-09-13 DE DE102016010974.2A patent/DE102016010974A1/en active Pending
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1519863A1 (en) | 1964-03-18 | 1970-02-26 | Siemens Ag | Procedure for pulling crystals |
US6136091A (en) | 1997-06-23 | 2000-10-24 | Sharp Kabushiki Kaisha | Process and apparatus for producing polycrystalline semiconductor ingot |
US6110274A (en) | 1997-07-02 | 2000-08-29 | Sharp Kabushiki Kaisha | Process and apparatus for producing polycrystalline semiconductor |
CN104010968A (en) | 2011-12-22 | 2014-08-27 | 夏普株式会社 | Polycrystalline silicon ingot, process for producing same, and uses thereof |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
DIN 53765 |
T. B. Massalski, "Binary Alloy Phase Diagrams", American Society for Metals, Materials Park, Ohio (1990) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111610222A (en) * | 2019-05-22 | 2020-09-01 | 北新集团建材股份有限公司 | System and method for detecting temperature regulation performance of phase change material |
CN111610222B (en) * | 2019-05-22 | 2022-04-15 | 北新集团建材股份有限公司 | System and method for detecting temperature regulation performance of phase change material |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE112007001888B4 (en) | Sensor in a differential scanning calorimeter | |
DE3841637C1 (en) | ||
DE69830024T2 (en) | Process for producing polycrystalline semiconductors | |
DE2720781C2 (en) | Temperature control device | |
DE102007035166B4 (en) | High-temperature evaporator cell with heating zones connected in parallel, process for their operation and their use in coating plants | |
Grossmann et al. | Processing and property assessment of NiTi and NiTiCu shape memory actuator springs | |
EP2502057A1 (en) | System and method for thermal analysis | |
DE102011109140A1 (en) | Method for determining rheometric parameters of samples and rotational rheometers | |
DE2635093A1 (en) | DEVICE FOR DRAWING A SEMICONDUCTOR SINGLE CRYSTAL | |
EP3150982B1 (en) | Temperature calibrator and method for cooling and heating a temperature calibrator | |
DE2263469C3 (en) | Temperature measuring device | |
DE102016010974A1 (en) | Material conversion arrangement and method | |
EP2759831B1 (en) | Method for performing a differential thermo analysis | |
DE102009060893A1 (en) | Transmitter e.g. thermoelectric temperature transmitter, for signal conversion of thermoelectric measured variables with electronic transmitter module, has good-heat conducting and/or warm-spreading layer attached under and/or in substrate | |
EP1732129A2 (en) | High temperature evaporator cell and method of evaporating high-melting materials | |
DE2450515C3 (en) | Method and device for precrystallizing cocoa butter-containing masses | |
WO1999031493A1 (en) | Differential thermoanalysis device | |
DE102016006453B4 (en) | Method for the automatic regulation of a phase change process and its use | |
DE69209473T2 (en) | Device for solidifying doped, electrically conductive material and for continuously monitoring the concentration of the dopant | |
DE102016214137B4 (en) | Method for determining the thermal conductivity and the thermoelectric quality of thermoelectric samples | |
DE69801224T2 (en) | DEVICE FOR FIXING AND CONTINUOUSLY MONITORING THE CRYSTAL GROWTH | |
DE1767824C3 (en) | Process for the production of vanadium dioxide | |
DE4017776A1 (en) | Thermoelectric transducer of doped n-conducting iron silicide - with large seebeck coefft. contg. platinum, palladium and/or nickel and opt. cobalt as dopant | |
DE1943748A1 (en) | Heating and temperature measuring device | |
DE864764C (en) | thermostat |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: C30B0015200000 Ipc: C30B0035000000 |
|
R163 | Identified publications notified | ||
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication |