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DE102016010974A1 - Material conversion arrangement and method - Google Patents

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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
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DE
Germany
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temperature
signal
furnace
change
heating
Prior art date
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Pending
Application number
DE102016010974.2A
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German (de)
Inventor
Anton Jesche
Andreas-Gabriel Schneider
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Universitaet Augsburg
Original Assignee
Universitaet Augsburg
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Publication date
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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 claim 1 and 10, respectively. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

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 claim 1, a material synthesis arrangement is provided, in particular an arrangement for growing crystals. The assembly comprises: a furnace having a furnace space; a receptacle arranged in the furnace chamber for receiving a material or a raw material; a heater for heating the oven space, wherein the heating power of the heater is adjustable by means of a power control signal; a temperature sensor for measuring the temperature of the receptacle and / or the material and the output material and outputting a temperature signal corresponding to the temperature; and a control unit for adjusting the heating power of the heater. The control unit has an input for the temperature signal and is designed to: determine from the temperature signal a temperature anomaly or change caused by a phase transition of the material or the starting material; and adjust the power control signal for adjusting the heating power depending on the detected temperature anomaly or temperature change of the temperature signal.

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. DIN 53765 .By means of the reference temperature signal, a differential thermal signal is determined, for example, from which then the onset or the current state of the phase transition is determined. One such differential thermal signal is known from differential thermal analysis (DTA) - cf. DIN 53765 ,

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 claim 10, a method for controlling the heating power in a material conversion arrangement is provided, in particular in an arrangement for growing crystals and / or in an arrangement as described above and below. Advantageously, the material conversion arrangement comprises: a furnace having a furnace space; a receptacle arranged in the furnace chamber for receiving a material or a raw material; a heater for heating the oven space, wherein the heating power of the heater is adjustable by means of a power control signal; a temperature sensor for measuring the temperature of the receptacle and / or the material and the output material and outputting a temperature signal corresponding to the temperature; and a control unit for adjusting the heating power of the heater. Advantageously, the method comprises the steps of: changing the temperature in the furnace chamber; Detecting the temperature of the material; Determining a temperature anomaly or deviation; and adjusting the heating power as a function of the determined temperature anomaly or change of the temperature signal.

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.
In an embodiment of the method, the heating power is set as a function of the determined temperature anomaly or change according to one or more of the following steps:
  • 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%.
The temperature change may be a temperature increase or preferably a decrease. Advantageously, the predetermined temperature range includes or includes the temperature Tph at which the temperature anomaly or change occurs. Further advantageously, the temperature range is limited
  • 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:

1 eine Anordnung einer Kristallzuchtanlage in schematischer Darstellung, 1 an arrangement of a crystal growing system in a schematic representation,

2 eine Detailansicht der Befestigung eines Widerstandsdrahts an einer Elektrode, 2 a detailed view of the attachment of a resistance wire to an electrode,

3a eine seitliche Querschnittsansicht eines bei der Anordnung von 1 eingesetzten Tiegels im unteren Bereich, 3a a side cross-sectional view of a in the arrangement of 1 inserted crucible in the lower area,

3b die Ansicht des Tiegelbodens von unten, 3b the view of the bottom of the crucible from below,

4 einen zeitlichen Temperaturverlauf beim Aufheizvorgang mit gemittelten Gradienten, 4 a temporal temperature profile during the heating process with averaged gradients,

5a ein Verfahren zur Temperatursteuerung bei der Kristallzucht, und 5a a method for temperature control in crystal growth, and

5b eine Veranschaulichung einer Modifikation des Verfahrens von 5a. 5b an illustration of a modification of the method of 5a ,

Die schematische Darstellung von 1 zeigt in Blockdarstellung die Steuerkomponenten einer Kristallzucht-Anordnung bzw. -Anlage 2 und deren Hochtemperatur-Ofen 4 im Querschnitt. Der Ofen 4 hat eine Ofenkammer 8, die einen Ofenraum 9 umgibt. Der Ofen wird durch ein Heizelement 6 beheizt, was beispielsweise eine um die Kammer 8 gewundene Heizspirale oder eine Vielzahl von um die Kammer 8 angeordnete Heizstäbe sind. Bei der Darstellung in 1 sind Isolierelemente des Ofens nicht dargestellt und die Kammer 8 kann beispielsweise aus Wandelementen wie Schamottesteinen zusammengesetzt sein.The schematic representation of 1 shows in block diagram the control components of a crystal growing arrangement or plant 2 and their high temperature oven 4 in cross section. The oven 4 has a furnace chamber 8th who have a stove room 9 surrounds. The oven is heated by a heating element 6 heated, for example, one around the chamber 8th Spiral heating coil or a variety of around the chamber 8th arranged heating rods are. When displayed in 1 insulating elements of the furnace are not shown and the chamber 8th may for example be composed of wall elements such as firebricks.

Im Ofenraum 9 ist ein Tiegel 10 angeordnet, der eine vorgegebene Menge eines Ausgangsmaterials 12 aufnimmt. Das Tiegelmaterial ist vorzugsweise inert gegenüber dem Ausgangsmaterial und reagiert mit diesem nicht. Das Ausgangsmaterial 12 ist beispielsweise eine amorphe Phase oder es sind Kristallite oder ein Pulver oder ein Gemisch des durch den thermischen Prozess zu erzeugenden Materials (kann auch als 'Probe' bezeichnet werden). Das Ausgangsmaterial und das Material können identisch sein, sich aber beispielsweise in der Kristallisation (z. B. multikristallin/einkristallin) und/oder in der Reinheit und/oder in der Homogenität unterscheiden. Bevorzugt kommt die Anordnung zur Herstellung von Einkristallen und/oder zur Modifikation von Einkristallen zur Anwendung.In the oven room 9 is a crucible 10 arranged, which is a predetermined amount of a starting material 12 receives. The crucible material is preferably inert to the starting material and does not react with it. The starting material 12 For example, it may be an amorphous phase or crystallites or a powder or mixture of the material to be produced by the thermal process (may also be referred to as a 'sample'). The starting material and the material may be identical, but differ for example in crystallization (eg multicrystalline / monocrystalline) and / or in purity and / or in homogeneity. Preferably, the arrangement for the production of single crystals and / or for the modification of single crystals is used.

Am Tiegel 10 ist ein Temperatursensor 14 angeordnet, der vorzugsweise ein Widerstandssensor ist, bei dem sich der Widerstand auf bekannte Weise in Abhängigkeit der Temperatur des Sensors ändert. Weiter bevorzugt ist der Sensor 14 ein Widerstandsdraht mit hohem Widerstand (im Vergleich zu den Zuleitungen). Bevorzugt ist der Temperatursensor 14 in eine Ausnehmung 44 (s. u.) des Tiegels eingesetzt und möglichst dicht an der Innenwand des Tiegels angeordnet. Gemäß einer Ausgestaltung und wenn das Material des Sensors 14 nicht mit dem Material 12 bzw. Ausgangsmaterial reagiert und/oder dessen Kristallisation beeinflusst, kann der Sensor 14 auch direkt mit dem Material 12 bzw. Ausgangsmaterial in Kontakt gebracht werden.At the crucible 10 is a temperature sensor 14 which is preferably a resistance sensor in which the resistance changes in a known manner as a function of the temperature of the sensor. Further preferred is the sensor 14 a resistance wire with high resistance (compared to the leads). The temperature sensor is preferred 14 in a recess 44 (see below) of the crucible used and arranged as close to the inner wall of the crucible. According to one embodiment and if the material of the sensor 14 not with the material 12 or reacting raw material and / or influences its crystallization, the sensor 14 also directly with the material 12 or starting material are brought into contact.

Im dargestellten Beispiel sind die Enden des Temperatursensors 14 jeweils mit einem Leiter 16 verbunden, die einen wesentlich geringeren Widerstand als der Sensor 14 aufweisen, temperaturresistent sind und die elektrische Leitung des Sensorsignals zum Bereich außerhalb der Kammer 8 vorsehen bzw. bereitstellen. Die Enden der Leiter 16 außerhalb der Kammer 8 sind jeweils mit einer Leitung 18 verbunden, wobei die Leitungen 18 das Sensorsignal einem Signalverstärker 20 zuführen. Der Signalverstärker 20 ist beispielsweise ein phasenempfindlicher Verstärker, vorzugsweise ein Lock-In-Verstärker. Der Signalverstärker 20 verstärkt das vom Sensor 14 kommende Temperatursignal und/oder unterdrückt oder filtert das dem Signal überlagerte Rauschsignal.In the example shown, the ends of the temperature sensor 14 each with a ladder 16 connected, which has a much lower resistance than the sensor 14 have temperature resistant and the electrical conduction of the sensor signal to the area outside the chamber 8th provide or provide. The ends of the ladder 16 outside the chamber 8th are each with a line 18 connected, the lines 18 the sensor signal a signal amplifier 20 respectively. The signal amplifier 20 is, for example, a phase-sensitive amplifier, preferably a lock-in amplifier. The signal amplifier 20 amplifies that from the sensor 14 incoming temperature signal and / or suppresses or filters the signal superimposed on the signal noise.

Das Ausgangssignal des Signalverstärkers 20 wird einer Steuereinheit 22 der Anordnung 2 zugeführt und in dieser wird das Signal vorzugsweise einer Prozessoreinheit 24 zugeführt. Die Steuereinheit kann analoge Elemente aufweisen, so dass bei Vorliegen des Signals vom Signalverstärker 20 in analoger Form das Signal analog verarbeitet und ausgewertet wird und auf analoge Weise das Leistungssteuersignal (s. u.) 'berechnet' wird. Alternativ wird das Signal vom Signalverstärker 20 mittels eines Analog/Digital-Wandlers (ADC) in ein Digitalsignal umgewandelt, das dann in der Steuereinheit 20 bzw. in der Prozessoreinheit 24 digital verarbeitet wird. Die A/D-Wandlung des Signals kann in der Prozessoreinheit 24, in der Steuereinheit 22 oder im Signalverstärker 20 erfolgen. In Ausgestaltung kann der Signalverstärker 20 in der Steuereinheit 22 integriert sein. Eine Hybrid-Verarbeitung des Temperatursignals, bei dem das Signal in der Steuereinheit bzw. in der Prozessoreinheit teilweise in analoger Form und teilweise in digitaler Form bearbeitet und ausgewertet wird ist ebenfalls möglich.The output signal of the signal amplifier 20 becomes a control unit 22 the arrangement 2 supplied and in this the signal is preferably a processor unit 24 fed. The control unit may have analog elements, so that in the presence of the signal from the signal amplifier 20 in analog form, the signal is processed and evaluated analogously and the power control signal (see below) is 'calculated' in an analogous manner. Alternatively, the signal from the signal amplifier 20 converted into a digital signal by means of an analog-to-digital converter (ADC), which is then stored in the control unit 20 or in the processor unit 24 digital is processed. The A / D conversion of the signal may be in the processor unit 24 , in the control unit 22 or in the signal amplifier 20 respectively. In an embodiment, the signal amplifier 20 in the control unit 22 be integrated. Hybrid processing of the temperature signal, in which the signal in the control unit or in the processor unit is partially processed and evaluated in analog form and partly in digital form, is also possible.

Als Ergebnis der Signalverarbeitung und -auswertung wird ein Leistungssteuersignal erzeugt, das von der Steuereinheit 22 an ein steuerbares Leistungsnetzteil 26 ausgegeben wird. Im dargestellten Beispiel wird das Netzteil aus dem Netz 30 (z. B. AC 230 V) gespeist und es gibt eine Leistung über die Leitung 28 an das Heizelement 6 ab, die entsprechend des Leistungssteuersignal gesteuert ist.As a result of the signal processing and evaluation, a power control signal is generated by the control unit 22 to a controllable power supply 26 is issued. In the example shown, the power supply is disconnected from the grid 30 (eg AC 230 V) and there is power over the line 28 to the heating element 6 which is controlled according to the power control signal.

Die Steuerung durch die Steuereinheit 22 kann in bestimmten Phasen der Umwandlung vom Ausgangsmaterial zum Material (und ggf. vom Material zum Ausgangsmaterial) als Regelkreis dienen, wobei ein Sollwert für die Temperatur vorgegeben ist und in Form einer Rückkopplung zwischen der Solltemperatur und der Ist-Temperatur die Temperatur auf die Solltemperatur geregelt wird. In der Phase der Steuerung, in der beispielsweise eine Phasenumwandlung zwischen Ausgangsmaterial und Material stattfindet, wird bevorzugt eine Steuerung der Heizleistung und/oder eine Regelung unter Verwendung des Temperatursignals vom Ofensensor 13 vorgenommen, da bei Vorliegen eines Phasenübergangs der Energieeintrag über die Heizung nicht unmittelbar zu einer Änderung der Temperatur des Materials oder Ausgangsmaterials führt (s. u.).The control by the control unit 22 can serve in certain phases of the conversion of the starting material to the material (and possibly the material to the starting material) as a control loop, a setpoint for the temperature is predetermined and regulated in the form of a feedback between the setpoint temperature and the actual temperature, the temperature to the target temperature becomes. In the phase of the control in which, for example, a phase transformation between starting material and material takes place, it is preferable to control the heating power and / or a control using the temperature signal from the furnace sensor 13 made, since in the presence of a phase transition of the energy input through the heater does not directly lead to a change in the temperature of the material or starting material (see below).

Die Temperatur des Ofens 4 wird mit einem Temperatursensor 13 ermittelt, der ein Thermoelement oder ebenfalls ein Widerstandstemperatursensor ist. Der Temperaturwert des Sensors 13 kann als Ofentemperatur und/oder Referenztemperatur in Bezug auf die mit dem Sensor 14 gemessene Materialtemperatur Tsens bei der Steuerung durch die Steuereinheit 22 (bzw. Prozessoreinheit 24) herangezogen werden (s. u.).The temperature of the furnace 4 comes with a temperature sensor 13 which is a thermocouple or also a resistance temperature sensor. The temperature value of the sensor 13 can be used as oven temperature and / or reference temperature with respect to the sensor 14 measured material temperature Tsens in the control of the control unit 22 (or processor unit 24 ) are used (see below).

2 zeigt als Detailansicht eine beispielhafte Verbindung zwischen einem Ende des Sensors 14 und einen der Leiter 16. Das Ende des Sensors, der hier ein Widerstandsdraht ist, wird um den Leiter 16 mehrfach herumgewickelt (z. B. in Helixform 34) und mit einem elektrisch leitenden und temperaturbeständigen Klebstoff 36 oder einem anderen Verbindungsmittel (z. B. Silberlot oder Hartlot) am Leiter fixiert. 2 shows a detailed view of an exemplary connection between one end of the sensor 14 and one of the leaders 16 , The end of the sensor, which is a resistance wire here, gets around the conductor 16 wound several times (eg in helix form 34 ) and with an electrically conductive and temperature-resistant adhesive 36 or another bonding agent (eg silver solder or brazing solder) fixed to the conductor.

3a zeigt den unteren Teil des Tiegels 10 im Querschnitt und 3b zeigt eine Außenansicht des Bodens 42 von unten. Der Tiegel ist aus Seitenwand 40 und Boden 42 gebildet. Im Boden 42 ist auf der Unterseite eine Vertiefung bzw. Nut 44 ausgebildet. In die Nut 44 ist der Temperatursensor 14 eingelassen und mit einem Kleber 46 befestigt. Der Kleber ist vorzugsweise ein elektrisch isolierender, temperaturbeständiger Kleber und/oder ein thermisch gut leitender Kleber. Beispielsweise kann Keramikkleber mit hoher thermischer Leitfähigkeit verwendet werden. 3a shows the lower part of the crucible 10 in cross-section and 3b shows an outside view of the floor 42 from underneath. The crucible is made of sidewall 40 and soil 42 educated. In the ground 42 is on the bottom of a depression or groove 44 educated. In the groove 44 is the temperature sensor 14 taken in and with a glue 46 attached. The adhesive is preferably an electrically insulating, temperature-resistant adhesive and / or a good thermal conductivity adhesive. For example, ceramic adhesive with high thermal conductivity can be used.

4 zeigt ein Temperatur-Zeitdiagramm des Temperaturverlaufs beim Aufheizen eines Ausgangsmaterials (bzw. Materials), bei dem um den Zeitpunkt c herum der relevante Phasenübergang, z. B. von der festen zur flüssigen Phase eines im festen Zustand vorzugsweise kristallinen Materials, startet. In diesem Fall wird dem Heizelement 6 vom Netzteil 26 unter der Steuerung der Steuereinheit 22 eine konstante elektrische Leistung zugeführt, was bei einem Material ohne Phasenübergang zu einem geradlinigen Temperaturverlauf führen würde, wie durch die gepunktete (Ideal-)Linie Tid angedeutet. Der Verlauf Tid entspricht dem linearen Temperaturanstieg in der Ofenkammer 8 durch die konstante Leistungszufuhr (hier ist angenommen, dass bei diesen Temperaturen und aufgrund der Aufheizrate noch kein Gleichgewicht zwischen zugeführter Leistung und Wärmeverlust eingetreten ist). Aufgrund des Phasenübergangs fest bzw. kristallin zu flüssig um den Zeitpunkt c (bzw. um die Temperatur Tph+) tritt beim Temperaturverlauf Tsens des Ausgangsmaterials die Temperaturerhöhung erst zeitversetzt ein, da die dem Material 12 zugeführte Wärme in latente Wärme umgewandelt wird. 4 shows a temperature-time diagram of the temperature profile during heating of a starting material (or material), in which around the time c around the relevant phase transition, for. B. from the solid to the liquid phase of a preferably crystalline material in the solid state starts. In this case, the heating element 6 from the power supply 26 under the control of the control unit 22 supplied with a constant electric power, which would lead to a straight-line temperature profile in a material without phase transition, as indicated by the dotted (ideal) line Tid. The curve Tid corresponds to the linear temperature increase in the furnace chamber 8th by the constant power supply (here it is assumed that at these temperatures and due to the heating rate, no balance between supplied power and heat loss has occurred). Due to the phase transition solid or crystalline to liquid at the time c (or by the temperature Tph +) occurs during the temperature curve Tsens of the starting material, the temperature increase until a time delay, since the material 12 supplied heat is converted into latent heat.

In 4 ist mit dem punktierten Verlauf Thy angedeutet, dass bei einer Abkühlung des Ofens 4 mit linear fallender Ofentemperatur (umgekehrter Zeitverlauf) beim Phasenübergang (bei der Temperatur Tph–) von flüssig nach fest bzw. kristallin die Temperatur des Materials (das flüssige 'Material' wird wieder in das kristalline 'Material' umgewandelt) während dieses Phasenübergangs nur zeitversetzt abfällt, da hier die latente Wärme freigesetzt wird. Im Temperaturverlauf kann außerdem zwischen dem Aufheizen und Abkühlen eine Hysterese auftreten. Die Phasenübergangstemperatur beim Aufheizen und Abkühlen kann materialbedingt unterschiedlich sein und/oder die Charakteristik der Temperaturverläufe beim Aufheizen und Abkühlen (z. B. nicht spiegelsymmetrisch zur Kurve Tid) kann unterschiedlich sein. Oder messtechnisch bedingt oder heiztechnisch bedingt können sich unterschiedliche charakteristische Verläufe oder Phasenübergangstemperaturen ergeben. Im Folgenden wird die Phasenübergangstemperatur beim Aufheizen mit Tph+ und die beim Abkühlen mit Tph– bezeichnet, wobei in 4 eingezeichnet ist, dass diese bei unterschiedlichen Temperaturen liegen.In 4 is indicated by the dotted curve Thy that when the furnace is cooled 4 with linearly falling furnace temperature (reverse time course) during the phase transition (at the temperature Tph-) from liquid to solid or crystalline the temperature of the material (the liquid 'material' is converted back to the crystalline 'material') during this phase transition only falls off with a time delay because the latent heat is released here. In addition, hysteresis can occur between the heating and cooling during the course of the temperature. The phase transition temperature during heating and cooling can be different due to the material and / or the characteristic of the temperature profiles during heating and cooling (for example, not mirror-symmetrical to the curve Tid) can be different. Or, due to metrology or heating technology, different characteristic curves or phase transition temperatures may result. Hereinafter, the phase transition temperature during heating is designated Tph + and that on cooling is Tph-, where in 4 is drawn that they are at different temperatures.

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 4 eingezeichnet ist, dass diese bei unterschiedlichen Temperaturen liegen.For crystal growth, the liquidus phase transition is very particularly preferred relevant phase transition, which is referred to as Tph-, since at this temperature transition Tph- use the nucleation and growth of the desired phase. Hereinafter, the phase transition temperature during heating is designated Tph + and that on cooling is Tph-, where in 4 is drawn that they are at different temperatures.

Weiterhin zeigt 4 anhand der breiten Pfeile den Gradienten der Temperatur zu den Zeitpunkten a, b, c und d an. Die Gradienten sind anhand von Mittelwerten der Temperatur ermittelt, wodurch auftretende Schwankungen (Rauschen) des gemessenen Temperatursignals ausgemittelt bzw. unterdrückt werden. Wie durch die Steigung der Pfeile angedeutet, liegen die geringsten Gradienten während der Temperaturerhöhung- bzw. -erniedrigung bei der Temperatur Tph+ bzw. Tph–, so dass während eines Temperaturerhöhungs- bzw. -absenkungsvorgangs durch die Bestimmung der geringsten Gradienten die Temperatur Tph+ und die Temperatur Tph– des Phasenübergangs bzw. die Temperaturanomalie ermittelt werden können.Further shows 4 on the basis of the broad arrows the gradient of the temperature at the times a, b, c and d. The gradients are determined on the basis of average values of the temperature, whereby any fluctuations (noise) of the measured temperature signal occurring are averaged out or suppressed. As indicated by the slope of the arrows, the lowest gradients during the temperature increase or decrease are at the temperatures Tph + and Tph-, respectively, so that during a temperature increase / decrease operation by the determination of the lowest gradients the temperature Tph + and the Temperature Tph- the phase transition and the temperature anomaly can be determined.

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 13) bekannt ist oder abgeschätzt werden kann. Oder die Charakteristik des Temperaturverlaufs des Ofens beim Aufheizen und/oder Abkühlen ist an sich bekannt, so dass die Anomalie aufgrund der Abschätzung des idealen Temperaturverlaufs ermittelt werden kann. Dabei kann der ideale Temperaturverlauf linear sein, wie in 4 dargestellt, oder gekrümmt sein (nichtlinearer Anstieg oder Abfall). In jedem Fall sind diese Temperaturänderungen klein gegenüber den Phasenübergangsbedingten Abweichungen.With regard to the metrological determination of the phase anomaly on the basis of the deviation between the measured temperature curve Tsens and the ideal temperature curve Tid, it should be noted that the ideal course, for example, results from a reference measurement of the oven temperature (sensor 13 ) is known or can be estimated. Or the characteristic of the temperature profile of the furnace during heating and / or cooling is known per se, so that the anomaly can be determined on the basis of the estimation of the ideal temperature profile. The ideal temperature profile can be linear, as in 4 represented or curved (nonlinear increase or decrease). In any case, these temperature changes are small compared to the phase transition deviations.

5a zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Kristallzüchtungsverfahren vorzugsweise unter Verwendung der oben beschriebenen Kristall-Zuchtanordnung 2. Beim Verfahren wird zunächst die Phasenübergangstemperatur bestimmt und anhand der ermittelten Phasenübergangstemperatur oder Temperatur Tph wird ein optimierter Kristallisationsprozess durchgeführt. 5a FIG. 12 shows a flow chart for a crystal growth process, preferably using the above-described crystal growth assembly 2 , In the method, the phase transition temperature is first determined, and based on the determined phase transition temperature or temperature Tph, an optimized crystallization process is performed.

Beim Schritt S2 wird der Ofen 4 mit konstanter Rate aufgeheizt, beispielsweise durch konstante Leistungszufuhr. Beispielhaft ist ein solches Aufheizen im Zusammenhang mit 4 beschrieben. Die Phasentemperatur für das Material und/oder unter den apparativen Bedingungen der Anordnung 2 sind nicht exakt bekannt, jedoch besteht für das Material in der Regel ein Erwartungswert Tph~ der Phasentemperatur, so dass das Aufheizen zur Bestimmung der Phasentemperatur beispielsweise bis zu einer Ofentemperatur T = Tph~ + 10% (oder + 15%) erfolgt. Die während des Aufheizens (S2) gemessene Materialtemperatur Tsens wird im Schritt S4 ausgewertet und daraus eine erste Phasentemperatur Tph+(1) des Aufheizens ermittelt. Im Schritt S6 wird der Ofen mit konstanter Rate abgekühlt. Zum Abkühlen kann das Heizelement 6 abgeschaltet sein oder es wird mittels der Regelung oder Steuerung durch die Steuereinheit 22 mit vorgegebenem Temperatur- und/oder Heizleistungsprofil abgekühlt. Vorzugsweise erfolgt die Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb der zuvor ermittelten ersten Phasentemperatur T = Tph+(1) – 10% (oder – 15%).In step S2, the oven 4 heated at a constant rate, for example, by constant power. By way of example, such heating is associated with 4 described. The phase temperature for the material and / or under the apparatus conditions of the arrangement 2 are not exactly known, but the material is usually an expectation Tph ~ the phase temperature, so that the heating for determining the phase temperature, for example up to a furnace temperature T = Tph ~ + 10% (or + 15%) takes place. The measured during heating (S2) material temperature Tsens is evaluated in step S4 and from a first phase temperature Tph + (1) of the heating determined. In step S6, the furnace is cooled at a constant rate. For cooling, the heating element 6 be shut off or it is by means of the control or regulation by the control unit 22 Cooled with a predetermined temperature and / or heating power profile. Preferably, the cooling to a temperature below the previously determined first phase temperature T = Tph + (1) - 10% (or - 15%).

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 10 aus dem Ofen 4 entnommen und die Lösung abgeschüttet oder zentrifugiert werden, so dass der Kristall einfacher zu entnehmen ist. Analog zur Liquidus-Temperatur kann auch die Solidus-Temperatur, Ts, bei der das gesamte Material in festem Zustand vorliegt (oder eine andere, charakteristische Signatur, die das Ende des Wachstums der gewünschten Phase signalisiert), bestimmt werden. Dies ermöglicht das anschließende Wiederaufheizen auf eine Temperatur knapp oberhalb von Ts (z. B. nach dem Einschmelzen der Probe unter Inertgas in einem zum Zentrifugieren geeigneten Behälter) gefolgt vom Zentrifugieren der Schmelzlösung.In step S18, a rapid cooling takes place after the temperature has reached below Tph at S16. Instead of fast cooling, the crucible can also be used 10 from the oven 4 and the solution is poured off or centrifuged so that the crystal is easier to remove. Similarly to the liquidus temperature, the solidus temperature, Ts, where all the material is in a solid state (or some other characteristic signature signaling the end of growth of the desired phase) can also be determined. This allows subsequent reheating to a temperature just above Ts (eg, after melting the sample under inert gas in a container suitable for centrifugation) followed by centrifuging the melt solution.

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 +.

5b zeigt eine Variation des Schrittes S16, wobei in einem engen Bereich um Tph ein zyklisches Aufheizen und Abkühlen erfolgt, jedoch erfolgt im Mittel weiterhin eine Abkühlung. Hierzu wird unter der Steuerung der Steuereinheit von der Temperatur knapp oberhalb von Tph (z. B. von Tph + 5%) auf eine Temperatur unmittelbar vor Tph extrem langsam abgekühlt (Rate 1). Beispielsweise ist die Temperatur unmittelbar vor Tph eine Temperatur von Tph + 2%. Danach wird zyklisch und mit sehr niedrigen Temperaturhüben kurzzeitig aufgeheizt und abgekühlt, wobei die Temperaturhübe in einem Temperaturkorridor liegen, dessen Mittelwert einer Abkühlung entspricht. Vorzugsweise ist die mittlere Abkühlrate (Rate 2) während dieser Zyklen noch geringer als während der ersten Abkühlphase (d. h. Rate 2 < Rate 1). Diese zyklische Abkühlung erfolgt bis zu einer Temperatur unmittelbar unterhalb Tph (beispielsweise bis Tph – 2% wie dargestellt, oder bis Tph – 5%). Danach erfolgt die Abkühlung wieder mit einem (idealerweise) linearen Verlauf bis zu der Temperatur knapp unterhalb Tph (z. B. T = Tph – 50%; siehe oben). Anschließend erfolgt die schnelle Abkühlung wie zu Schritt S18 beschrieben und in 5b schematisch dargestellt. 5b shows a variation of step S16, wherein in a narrow range to Tph cyclic heating and cooling takes place, but on average still continues to cool. Under the control of the control unit, the temperature is cooled extremely slowly from just above Tph (eg from Tph + 5%) to a temperature immediately before Tph (rate 1). For example, the temperature immediately before Tph is a temperature of Tph + 2%. Thereafter, it is heated cyclically and with very low temperature strokes for a short time and cooled, the temperature strokes are in a temperature corridor whose mean corresponds to a cooling. Preferably, the average cooling rate (rate 2) during these cycles is still lower than during the first cooling phase (ie rate 2 <rate 1). This cyclical cooling takes place up to a temperature immediately below Tph (for example up to Tph - 2% as shown, or until Tph - 5%). Thereafter, the cooling is again carried out with an (ideally) linear course up to the temperature just below Tph (eg T = Tph - 50%, see above). Subsequently, the rapid cooling takes place as described at step S18 and in 5b shown schematically.

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 2 von Ofen 4 und Steuerung 2026 simultan durchgeführt werden. Die Kontrolle der Prozessparameter, insbesondere der Heizleistung des Ofens 4, ist somit an die Reaktion (Phasenübergang) des Materials gekoppelt. Die sich hieraus ergebenden Möglichkeiten und Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Vorgehen sind hierin weiter erläutert, insbesondere in Bezug auf die Einkristallzüchtung aus Schmelzlösungen. Da Phasenübergänge jedoch in nahezu allen Heizprozessen/Wärmebehandlungen/Temperungen relevant sind, ist die beschriebene Erfindung auf eine Vielzahl weiterer Techniken anwendbar ist.The temperature control in conventional furnaces is done by measuring the temperature, comparing it with a setpoint and the corresponding adjustment of the heating power. The state of the heated material itself and its possible reaction to a temperature change are not taken into account. If a phase transition, for example, the solidification of a melt during slow cooling, targeted and well-controlled, the corresponding transition temperature from previous investigations must already be known and set the temperature profile of the furnace accordingly. The determination of such (phase) transition temperatures as a function of the composition of a substance mixture (hereinafter referred to as material) is carried out by standard means of differential thermal analysis (DTA) or differential scanning calorimetry (DSC). While both processes-determination of transition temperature and actual material conversion - have so far been strictly separated, they can in the inventive arrangement 2 from oven 4 and control 20 - 26 be carried out simultaneously. The control of the process parameters, in particular the heating power of the furnace 4 , is thus coupled to the reaction (phase transition) of the material. The resulting possibilities and advantages over the conventional Procedures are further explained herein, particularly with respect to single crystal growth from melt solutions. However, since phase transitions are relevant in almost all heating processes / anneals, the described invention is applicable to a variety of other techniques.

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 ( T. B. Massalski, ”Binary Alloy Phase Diagrams”, American Society for Metals, Materials Park, Ohio (1990) ). Die Übertragung der aus DTA/DSC-Messungen bekannten Übergangstemperaturen auf die Kristallzüchtung in einem herkömmlichen Ofen ist allerdings nur eingeschränkt möglich:

  • – 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.
Phase transition temperatures can be determined by DTA / DSC with high accuracy, eg. For example, the liquidus and solidus temperatures of alloys (see above). Small-volume crucibles (eg approx. 5 mm 3 ) are preferably used in order to ensure the most homogeneous possible temperature over the entire material volume. In addition to the crucible containing the material, a second (reference) crucible is used in conventional DTA / DSC. The detection of phase transitions is always based on the temperature difference (or the suppression of these by an energy input to be measured) between the two crucibles. Information obtained in this way on phase formation is compiled in the form of phase diagrams and published for a large number of binary alloys ( TB Massalski, "Binary Alloy Phase Diagrams," American Society for Metals, Materials Park, Ohio (1990) ). The transfer of the known from DTA / DSC measurements transition temperatures on the crystal growth in a conventional oven, however, is limited:
  • - 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 2 erfolgt vorzugsweise nicht über eine Differenzmessung (zwischen Material- und Referenztiegel), sondern anhand von Anomalien im zeitlichen Verlauf der Materialtemperatur wie oben beschrieben. Die Temperatur ist proportional zum elektrischen Widerstand eines dünnen Drahtes (Messdraht 14), der in unmittelbarer Nähe des Materials 12 angebracht ist. Hierzu wird der Tiegelboden 42 mit einer Kerbe 44 versehen und der Draht mit einem Hochtemperatur-Klebstoff 46 befestigt, der gute thermische Leitfähigkeit jedoch hohen elektrischen Widerstand aufweist. Der Abstand von Draht 14 zu Material 12 (= Innenraum des Tiegels 10) beträgt dabei vorzugsweise weniger als 0,5 Millimeter. Somit ist eine hervorragende thermische Ankopplung ohne direkten Kontakt zwischen Draht und Material gegeben.In addition to the above description is to be further carried out: The detection of phase transitions in the arrangement described above 2 preferably does not take place via a differential measurement (between material and reference crucible), but based on anomalies in the time course of the material temperature as described above. The temperature is proportional to the electrical resistance of a thin wire (measuring wire 14 ), in the immediate vicinity of the material 12 is appropriate. For this purpose, the crucible bottom 42 with a notch 44 provided and the wire with a high-temperature adhesive 46 attached, which has good thermal conductivity but high electrical resistance. The distance from wire 14 to material 12 (= Interior of the crucible 10 ) is preferably less than 0.5 millimeters. Thus, an excellent thermal coupling without direct contact between wire and material is given.

In Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass auch bei der erfindungsgemäßen Anordnung 2 zur weiteren Signalverbesserung ein Referenzsignal der Temperatur mittels eines zweiten Temperatursensors (z. B. Sensor 13, der die Ofentemperatur misst) und dessen Messung keinem Phasenübergang unterliegt, zur Normierung oder Signalverbesserung herangezogen wird. Vorzugsweise und wie erwähnt, wird die Phasentemperaturbestimmung bei der Erfindung jedoch ohne eine Referenztemperaturmessung durchgeführt, so dass lediglich ein (und nur ein bzw. der) Temperatursensor 14 vorgesehen ist.In an embodiment it can be provided that also in the inventive arrangement 2 for further signal improvement, a reference signal of the temperature by means of a second temperature sensor (eg 13 measuring the oven temperature) and whose measurement is not subject to phase transition, is used for normalization or signal enhancement. Preferably, and as mentioned, however, the phase temperature determination in the invention is performed without a reference temperature measurement, so that only one (and only one) temperature sensor 14 is provided.

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 20. Die über den Messdraht abfallende Spannung (proportional zum elektrischen Widerstand) wird dabei mit einer relativen Auflösung von < 10–5 bei einer Abtastrate von etwa 25 Punkten pro Sekunde gemessen und steht in Echtzeit zur Analyse und Steuerung der Heizleistung (durch die Steuereinheit 22) bereit. Optional erlaubt ein ebenfalls am Tiegelboden 42 angebrachtes Thermoelement (nicht dargestellt) eine Kalibrierung der am Messdraht abfallenden Spannung mit der (absoluten) Temperatur.The size of the anomaly caused by a phase transition in the crystal growth process over the course of time of the temperature is usually only a fraction of the respective absolute value (about 10 -2 to 10 -4 ). The measurement of such small changes is possible, for example, by phase-sensitive measurement of the electrical resistance by means of lock-in technology - see the lock-in amplifier in the example above 20 , The voltage across the measuring wire (proportional to the electrical resistance) is thereby measured with a relative resolution of <10 -5 at a sampling rate of about 25 points per second and is available in real time for analyzing and controlling the heating power (by the control unit) 22 ) ready. Optional also allows one on the bottom of the crucible 42 attached thermocouple (not shown), a calibration of the voltage drop across the measuring wire with the (absolute) temperature.

Zur Kontaktierung des Messdrahtes 14 werden temperaturbeständige, metallische Stäbe 16 (Wolfram, Durchmesser ~3 mm) in die Ofenkammer 8 geführt und mit einer speziellen, weiter unter näher erläuterten, Klebetechnik mit dem dünnen Messdraht (Wolfram, Durchmesser ~20 μm) verbunden. Der elektrische Widerstand ist proportional zum Querschnitt des Leiters und somit durch den Messdraht 14 dominiert (99,9%), der auf etwa der Hälfte seiner Länge mit dem Tiegel 10 thermisch verbunden ist. Die metallischen Stäbe 16 können als fester Bestandteil des Ofens 4 betrachtet und nach Ablösen des Messdrahtes 14 wiederverwendet werden. Die Ofenkammer 8 kann evakuiert und mit Inertgas geflutet werden.For contacting the measuring wire 14 become temperature-resistant, metallic rods 16 (Tungsten, diameter ~ 3 mm) into the oven chamber 8th guided and with a special, further explained below, bonding technology with the thin measuring wire (tungsten, diameter ~ 20 microns) connected. The electrical resistance is proportional to the cross section of the conductor and thus through the measuring wire 14 dominates (99.9%), about half of its length with the crucible 10 thermally connected. The metallic bars 16 can be used as an integral part of the oven 4 considered and after detachment of the measuring wire 14 be reused. The oven chamber 8th can be evacuated and flooded with inert gas.

Als technisch herausfordernd hat sich die stabile Kontaktierung des Messdrahtes 14 mit den metallischen Stäben 16 erwiesen, die bei hohen Temperaturen (bisher bis 1000°C) beansprucht werden ohne dabei störende Anomalien im elektrischen Widerstand hervorzurufen. Hierzu wurden Messdraht und Stab mit leitfähigem, Silber-basiertem Lack 36 verklebt. Nach dem Trocknen wurde eine dünne Schicht Korund-Klebstoff über den Lack aufgebracht.As technically challenging, the stable contacting of the measuring wire has 14 with the metallic bars 16 proved that at high temperatures (previously up to 1000 ° C) are claimed without causing disturbing anomalies in electrical resistance. For this purpose, measuring wire and rod were using conductive, silver-based paint 36 bonded. After drying, a thin layer of corundum adhesive was applied over the paint.

Elemente der Erfindung (Neuerungen)Elements of the invention (innovations)

Findet ein Phasenübergang während eines Synthese- oder Umwandlungsprozesses in der Umwandlungs-Anordnung 2 statt, so kann dies direkt nachgewiesen und ohne Zeitverlust zur Anpassung der Prozessparameter, insbesondere der Heizleistung, verwendet werden.Finds a phase transition during a synthesis or conversion process in the conversion array 2 instead, this can be directly detected and used without loss of time to adapt the process parameters, in particular the heating power.

Der Zustand eines Materials 12 ist somit nicht nur durch die nominelle Temperatur in der Ofenkammer 8, sondern auch durch das Einsetzen bzw. Ausbleiben einer charakteristischen Signatur (z. B. Tph–) bestimmt. Realisiert wird dies durch die Anwendung phasen-sensitiver Widerstandsmessung und die Kopplung an die Heizleistung des Ofens an diese Messung bzw. die Steuerung der Heizleistung in Abhängigkeit des Temperatursignals.The condition of a material 12 is thus not only due to the nominal temperature in the furnace chamber 8th , but also determined by the onset or absence of a characteristic signature (eg Tph-). This is realized by the application of phase-sensitive resistance measurement and the coupling to the heating power of the furnace to this measurement or the control of the heating power as a function of the temperature signal.

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. 5b), was zum Wiederauflösen kleinerer und dem ungestörten Wachstum größerer Kristallite führt (Keimauslese). Die somit erhaltenen Einkristalle zeichnen sich durch Größe, geringere Defektdichte und weniger Verwachsungen aus.The in situ detection of nucleation during single crystal growth from a melt solution allows unprecedented control of the temperature profile during crystal growth. On the one hand, the temperature can be lowered very slowly after the onset of crystallization. This allows optimal diffusion of solute towards the growth front of the single crystal. Similarly, the accumulation of impurities on the growth front is suppressed. On the other hand, the temperature can be driven cyclically or oscillating around the liquidus temperature (cf. 5b ), which leads to the re-dissolution of smaller and undisturbed growth of larger crystallites (seed selection). The single crystals thus obtained are characterized by size, lower defect density and fewer adhesions.

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 elektrischen Felder der Heizstäbe 6 des Ofens 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 an den 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.
In addition to the in situ applicability, there are further advantages compared to the conventional thermometric methods used in the analysis of phase transitions:
  • - 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 the heating elements 6 of the oven 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 the crucible 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 8, Heizer 6, Lock-in-Verstärker 20 und entsprechender Verkabelung gezeigt werden. Die Detektion der Keimbildung ist in verschiedenen Legierungssystemen (Bi-Ni, Bi-Pd, Bi-Mn, In-Pd, In-Au, In-Sb) gelungen, wobei die molare Konzentration der zweiten Komponente bei 5–10% lag. Für die binäre Legierung Ni-Bi wurde die Einkristallzüchtung von Bi3Ni anhand des detektierten Liquidussignals Tph+ gezielt optimiert. Dabei erhaltene Einkristalle erwiesen sich als deutlich größer, weniger verwachsen und klarer facettiert als die bei monotonem Abkühlen erhaltenen.The functionality of the feedback furnace was based on a first experimental setup, consisting of furnace chamber 8th , Heater 6 , Lock-in amplifier 20 and corresponding wiring. Detection of nucleation has been achieved in various alloy systems (Bi-Ni, Bi-Pd, Bi-Mn, In-Pd, In-Au, In-Sb), with the molar concentration of the second component being 5-10%. For the binary alloy Ni-Bi, the single crystal growth of Bi 3 Ni was optimized on the basis of the detected liquid-state signal Tph +. The resulting single crystals proved to be significantly larger, less fused and more clearly faceted than those obtained by monotonic cooling.

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

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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)

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), wobei die Steuereinheit (22) einen Eingang zum Empfang des Temperatursignals aufweist und dazu ausgelegt ist: – 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.Material conversion arrangement ( 2 ), in particular for growing crystals, comprising: a furnace ( 4 ), which has a furnace room ( 9 ), one in the furnace room ( 9 ) receiving vessel ( 10 ) for recording a material ( 12 ) or a starting material, a heating device ( 6 . 26 ) for heating the oven space ( 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 ) and the output material and for outputting a temperature signal corresponding to the temperature, and a control unit ( 22 ) for adjusting the heating power of the heating device ( 6 . 26 ), the control unit ( 22 ) has an input for receiving the temperature signal and is designed to: - from the temperature signal by a phase transition of the material ( 12 ) or the starting material to determine temperature anomaly or change, and - to adjust the power control signal for adjusting the heating power as a function of the determined temperature anomaly or temperature change of the temperature signal. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Aufnahmegefäß (10) ein Tiegel ist, und/oder wobei das Aufnahmegefäß (10) eine Bohrung oder Vertiefung (44) aufweist, in die oder in der der Temperatursensor (14) eingesetzt ist.Arrangement according to claim 1, wherein the receptacle ( 10 ) is a crucible, and / or wherein the receptacle ( 10 ) a bore or depression ( 44 ) into or into which the temperature sensor ( 14 ) is used. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Heizeinrichtung (6, 26) eine Leistungselektronik (26) und zumindest ein Heizelement (6) aufweist, wobei die Leistungselektronik (26) die dem Heizelement (6) zugeführte elektrische Leistung in Abhängigkeit des Leistungssteuersignals abgibt.Arrangement according to claim 1 or 2, wherein the heating device ( 6 . 26 ) a power electronics ( 26 ) and at least one heating element ( 6 ), wherein the power electronics ( 26 ) the heating element ( 6 ) delivers supplied electric power in response to the power control signal. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, mit einer Signalverarbeitungseinheit (20) mit einem Eingang zum Zuführen des Temperatursignals und mit einem Ausgang zum Ausgeben des verarbeiteten Temperatursignals, wobei dem Eingang der Steuereinheit (22) das verarbeitete Temperatursignal zugeführt wird.Arrangement according to Claim 1, 2 or 3, with a signal processing unit ( 20 ) having an input for supplying the temperature signal and having an output for outputting the processed temperature signal, wherein the input of the control unit ( 22 ) the processed temperature signal is supplied. Anordnung nach Anspruch 4, wobei die Signalverarbeitungseinheit (20) dazu ausgelegt ist, eine phasen-sensitive Signalverstärkung durchzuführen, und/oder einen Lock-In-Verstärker aufweist oder ein Lock-In-Verstärker ist.Arrangement according to claim 4, wherein the signal processing unit ( 20 ) is designed to perform a phase-sensitive signal amplification, and / or has a lock-in amplifier or is a lock-in amplifier. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem im Ofenraum (9) angeordneten Referenzmaterial oder einer im Ofenraum (9) angeordneten Referenzmessstelle und einem Referenztemperatursensor (13) zum Erfassen der Temperatur des Referenzmaterials oder der Referenzmessstelle und zum Ausgeben eines der Referenztemperatur entsprechenden Referenztemperatursignals, wobei die Steuereinheit (22) einen Eingang für das Referenztemperatursignal aufweist und eine durch einen Phasenübergang des Materials oder des Ausgangsmaterials bewirkte Temperaturänderung als Funktion des Temperatursignals des Material oder Ausgangsmaterials und des Referenztemperatursignals bestimmt.Arrangement according to one of the preceding claims, with one in the furnace chamber ( 9 ) arranged reference material or one in the furnace chamber ( 9 ) and a reference temperature sensor ( 13 ) for detecting the temperature of the reference material or the reference measuring point and outputting a reference temperature signal corresponding to the reference temperature, wherein the control unit ( 22 ) has an input for the reference temperature signal and determines a change in temperature caused by a phase transition of the material or the starting material as a function of the temperature signal of the material or starting material and the reference temperature signal. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Temperatursensor (14) und/oder der Referenztemperatursensor (13) ein Widerstandssensor, ein Messdraht, ein NTC-Sensor oder ein Thermoelement ist.Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the temperature sensor ( 14 ) and / or the reference temperature sensor ( 13 ) is a resistance sensor, a measuring wire, an NTC sensor or a thermocouple. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material (12) bzw. das Ausgangsmaterial im festen Zustand vorliegen und der Phasenübergang ein Phasenübergang vom festen Zustand zum flüssigen Zustand des Materials bzw. Ausgangsmaterials ist.Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the material ( 12 ) or the starting material in the solid state and the phase transition is a phase transition from the solid state to the liquid state of the material or starting material. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material (12) kristallin ist oder Kristalle aufweist, vorzugsweise ein Einkristall ist und das Ausgangsmaterial eine Vielzahl von Kristalliten aufweist, polykristallin oder amorph ist, und/oder das Material (12) das Syntheseprodukt aus dem Ausgangsmaterial ist, wobei das Ausgangsmaterial zumindest die Ausgangssubstanzen des Materials vorzugsweise in der Stöchiometrie des synthetisierten Materials aufweist.Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the material ( 12 ) is crystalline or has crystals, preferably is a single crystal, and the starting material has a multiplicity of crystallites, is polycrystalline or amorphous, and / or the material ( 12 ) is the synthesis product from the starting material, wherein the starting material comprises at least the starting materials of the material preferably in the stoichiometry of the synthesized material. Verfahren zum Steuern der Heizleistung bei einer Materialumwandlungs-Anordnung (2), insbesondere Anordnung zum Züchten von Kristallen und/oder Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Materialumwandlungs-Anordnung aufweist: einen Ofen (4), der einen Ofenraum (9) aufweist, ein im Ofenraum (9) angeordnetes Aufnahmegefäß (10) zum Aufnehmen eines Materials (12) oder eines Ausgangsmaterials, eine Heizeinrichtung (6, 26) zum Heizen des Ofenraums (9), wobei die Heizleistung der Heizeinrichtung mittels eines Leistungssteuersignals einstellbar ist, einen 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 eine Steuereinheit (22) zum Einstellen der Heizleistung der Heizeinrichtung (6, 26), wobei das Verfahren aufweist: Änderung der Temperatur im Ofenraum (9), Erfassen der Temperatur des Materials, Ermitteln einer Temperaturanomalie oder -abweichung, und Einstellen der Heizleistung in Abhängigkeit der ermittelten Temperaturanomalie oder -änderung des Temperatursignals.Method for controlling the heat output in a material conversion arrangement ( 2 ), in particular arrangement for growing crystals and / or arrangement according to one of the preceding claims, wherein the material conversion arrangement comprises: a furnace ( 4 ), which has a furnace room ( 9 ), one in the furnace room ( 9 ) arranged receiving vessel ( 10 ) for recording a material ( 12 ) or a starting material, a heating device ( 6 . 26 ) for heating the oven space ( 9 ), wherein the heating power of the heater 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 ) and the output material and for outputting a temperature signal corresponding to the temperature, and a control unit ( 22 ) for adjusting the heating power of the heating device ( 6 . 26 ), the method comprising: changing the temperature in the furnace chamber ( 9 ) Detecting the temperature of the material, determining a temperature anomaly or deviation, and adjusting the heating power in response to the determined temperature anomaly or change in the temperature signal. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Einstellen der Heizleistung in Abhängigkeit der ermittelten Temperaturanomalie oder -änderung gemäß einem oder mehreren der folgenden Schritte erfolgt: – 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, und – 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.The method of claim 10, wherein the adjusting of the heating power in dependence on the determined temperature anomaly or change according to one or more of the following steps: 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 in the furnace temperature, in particular above and / or below the predetermined temperature range, and - 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. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Änderung der Temperatur des Ofens über einen Bereich erfolgt, der die Temperatur des erwarteten Phasenübergangs mit umfasst, und/oder wobei die Änderung der Temperatur des Ofens das Durchlaufen des Temperaturbereichs mit dem Phasenübergang durch Temperaturerhöhung einmal, zweimal, dreimal oder mehr als dreimal umfasst, und/oder wobei die Änderung der Temperatur des Ofens das Durchlaufen des Temperaturbereichs mit dem Phasenübergang durch Temperaturabsenkung einmal, zweimal, dreimal oder mehr als dreimal umfasst,Method according to claim 10 or 11, wherein the change in temperature of the furnace is over a range including the temperature of the expected phase transition, and / or wherein the change in the temperature of the furnace includes passing through the temperature range with the temperature-elevation phase transition once, twice, thrice or more than three times, and / or wherein the change in the temperature of the furnace includes passing through the temperature region having the temperature reduction phase transition once, twice, three times or more than three times, Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, wobei die Ermittlung der Temperatur des Phasenübergangs eine Funktion der einmaligen, zweimaligen, dreimaligen oder mehrmaligen Ermittlung der Temperatur des Phasenübergangs während einer Temperaturerhöhung und/oder während einer Temperaturabsenkung ist.The method of claim 10, 11 or 12, wherein the determination of the temperature of the phase transition is a function of the one, two, three or more times determining the temperature of the phase transition during a temperature increase and / or during a temperature decrease.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DIN 53765
T. B. Massalski, "Binary Alloy Phase Diagrams", American Society for Metals, Materials Park, Ohio (1990)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

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