AT524600A1 - Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen Kristalls, insbesondere eines Saphirs - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen Kristalls, insbesondere eines Saphirs, wobei ein einkristalliner Keimkristall in einem Boden- bereich eines Tiegels (3) mit einer zylindermantelförmigen Tiegelwand (4) ange- ordnet wird oder einen Boden des Tiegels (3) bildet und eine kristallographische c- Achse des Keimkristalls entsprechend einer sich in Richtung der Höhe der Tiegel- wand erstreckende Längsachse des Tiegels ausgerichtet wird, worauf über dem Keimkristall in dem Tiegel ein Basismaterial angeordnet und aufgeschmolzen wird, wobei ein Kristallwachstum durch Kristallisation an einer Grenzschicht zwischen aufgeschmolzenen Basismaterial und Keimkristall in Richtung der c-Achse fort- schreitend erfolgt.
Description
phirs.
Die Herstellung von großen Einkristallen, wie sie z.B. zur Herstellung von Wafern eingesetzt werden, ist aus dem Stand der Technik, beispielsweise der KR 10 2017-0026734 A, bekannt.
Die Herstellung von großen Einkristallen, wie sie z.B. zur Herstellung von Wafern eingesetzt werden, ist aus dem Stand der Technik, beispielsweise der KR 10 2017-0026734 A, bekannt. Bekanntlich sind die Qualitätsanforderungen an diese Kristalle sehr hoch, sodass im Stand der Technik unterschiedlichste Verfahren und Vorrichtungen zu deren Herstellung beschrieben wurden. Eine Verfahrensart sieht dabei die Bereitstellung und das Aufschmelzen des „Rohmaterials“ in einem Tiegel vor. Das Einkristall wird dann durch kontrollierte Abkühlung der Schmelze im Tiegel selbst erzeugt. Die hierfür verwendeten Vorrichtungen sind unterschiedlichst ausgestaltet. Beispielsweise beschreibt die US 2013/152851 A1 eine Vorrichtung zur Herstellung eines Si-Einkristalls, die eine Isolierkammer aufweist, in der der Tiegel und Heizelemente neben und oberhalb des Tiegels angeordnet sind. Zwischen dem oberen Heizelement und dem Tiegel ist weiter ein Reflektor angeordnet um aus dem Tiegel abgestrahlte Wärmeenergie wieder in den Tiegel zu reflek-
tieren und damit die Energieeffizienz der Einkristallzüchtung zu verbessern.
Die WO 2012/067372 A2 beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung eines Saphir-Einkristalls, umfassend eine Kammer, einen darin angeordneten Tiegel, In
dem die Aluminiumoxidschmelze enthalten ist, eine Heizung, die außerhalb des
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talls reflektiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, einen qualitativ sehr hochwertigen Einkristall zu erzeugen, bei dessen Zerteilen in Wafer möglichst wenig Abfallmaterial anfällt und in Summe den Energieverbrauch pro hergestellten Wafer zu redu-
zieren.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein einkristalliner Keimkristall in einem Bodenbereich eines Tiegels mit einer zylindermantelförmigen Tiegelwand angeordnet wird oder einen Boden des Tiegels bildet und eine kristallographische c-Achse des Keimkristalls entsprechend einer sich in Richtung der Höhe der Tiegelwand erstreckende Längsachse des Tiegels ausgerichtet wird, worauf über dem Keimkristall in dem Tiegel ein Basismaterial angeordnet und aufgeschmolzen wird, wobei ein Kristallwachstum durch Kristallisation an einer Grenzschicht zwischen aufgeschmolzenen
Basismaterial und Keimkristall in Richtung der c-Achse fortschreitend erfolgt.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht durch die Ausrichtung der c-Achse des Keimkristalls entsprechend der Längsachse des Tiegels die Herstellung qualitativ sehr hochwertiger Wafer. Quer zur c-Achse eines aus dem Einkristall gebildeten Ingot herausgeschnittene Wafer weisen ebenfalls eine definierte Lage ihrer cAchse auf, was vor allem hinsichtlich optischer Anwendungen ein wesentliches Qualitätsmerkmal darstellt. Durch die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich auch weniger Ausschuss, da die Produktion qualitativ minderwertiger Ingots deutlich verringert werden kann. Insgesamt lässt sich daher auch der für die Produktion
der Einkristalle erforderliche Energieaufwand reduzieren.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung können auch mehrere Kristalle gleichzeitig in einem Ofen gezüchtet werden, indem mehrere Tiegel in dem Ofen angeordnet
werden.
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talls mit der Längsachse des Tiegels zusammenfallend angeordnet wird.
Die erfindungsgemäße Lösung eignet sich besonders für die Herstellung von Saphir, weshalb es gemäß einer vorteilhaften Variante der Erfindung vorgesehen
sein kann, dass als Basismaterial Alz2O3 verwendet wird.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Keimkristall im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet ist,
- eine erste Flachseite und eine zweite Flachseite aufweist;
- eine Längsmittelachse aufweist, welche Längsmittelachse in Richtung von der ersten Flachseite zur zweiten Flachseite ausgebildet ist, wobei die c-Achse
des Keimkristalls mit der Längsmittelachse des Keimkristalls zusammenfällt.
Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung kann die Position der c-Achse
auf dem Keimkristall markiert werden.
Als besonders vorteilhaft hinsichtlich einer effizienten Beheizung des in dem Tiegel enthaltenen Schmelze bzw. Basismaterials, kann es vorgesehen sein, dass der Tiegel von dem Keimkristall aus betrachtet nach oben offen ist und ein Spiegel einer Schmelze des Basismaterial mittels zumindest eines Heizelements, welches
über einer offenen Seite des Tiegels angeordnet ist von oben erwärmt wird.
Um eine möglichst gleichmäßige Erhitzung der Schmelze zu gewährleisten kann es vorgesehen sein, dass zwischen dem Heizelement und der offenen Seite des Tiegels ein Wärmediffusorelement zur Herstellung eines gleichmäßigen Wärme-
verteilung angeordnet ist.
Um die Ausbildung von Fehlstellen in dem Einkristall zu verhindern, kann es vorgesehen sein, dass die Tiegelwand über ihre gesamte Erstreckung eine gleichbleibende Wärmeleitfähigkeit und/oder gleichbleibende mechanische Eigenschaften
aufweist. Darüber hinaus kann es vorgesehen sein, dass die Tiegelwand an ihrer Tiegel-
wand-Innenseite eine gleichartige Oberflächenausbildung aufweist.
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förmig geschlossen und nahtlos ausgebildet ist.
Ferner kann die Tiegelwand über ihre gesamte Erstreckung einen gleichartigen
strukturellen Aufbau aufweisen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden
Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung:
Fig. 1 ein erstes mögliches Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Züch-
ten eines künstlich hergestellten Saphir-Kristalls, in Ansicht geschnitten;
Fig. 2 eine zweite mögliche Ausbildung einer Vorrichtung zum Züchten eines
künstlich hergestellten Saphir-Kristalls, in Ansicht geschnitten;
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Züchten eines
künstlich hergestellten Saphir-Kristalls, in Ansicht geschnitten.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lage-
angaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
In der Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 gezeigt, welche zum Züchten eines Kristalls, insbesondere eines künstlich hergestellten SaphirKristalls, dient bzw. dazu ausgebildet ist. Saphir hat die chemische Formel Al2O3 und kommt in der Natur vor und wird unter anderem als Schmuckstein oder der-
gleichen verwendet.
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gebracht und dort mittels Wärmezufuhr in bekannter Weise aufgeschmolzen.
Die Schmelze, welche nachfolgend mit dem Buchstaben „S“ bezeichnet wird, wird abgekühlt und dabei erfolgt die Erstarrung und Bildung des Kristalls „K“. Bei einem derartigen Kristall „K“ handelt es sich bevorzugt um eine Einkristall-Form von Aluminiumoxid (Al2Os). Der synthetisch hergestellte Saphir-Kristall „K“ weist einen Härtewert von 9 auf der Mohs-Skala auf. Darüber hinaus weisen daraus hergestellte Produkte, wie z.B. Wafer, Uhrgläser, Gehäuse, Leuchtdioden oder dergleichen, eine hohe Kratzfestigkeit auf. Bevorzugt werden Kristalle „K“ mit glasklaren
Eigenschaften oder aber auch je nach Zusatzstoff mit farbigem Aussehen gebildet.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine Tiegelwand 4, welche ihrerseits einen ersten Endbereich 5 und einen davon beabstandet angeordneten zweiten Endbereich 6 aufweist. Zwischen den beiden Endbereichen 5 und 6 erstreckt sich eine Längsachse 7. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der erste Endbereich 5 offen ausgebildet. Der zweite Endbereich 6 bildet bei lotrechter Ausrichtung der Längsachse 7 den bodenseitigen Endabschnitt aus und ist gänzlich offen oder zu einem überwiegenden Anteil offen ausgebildet. Die Tiegelwand 4 ist grundsätzlich rohrförmig ausgebildet und kann die unterschiedlichsten Querschnittformen bezüglich der Längsachse 7 aufweisen. Die Querschnittsform hängt vom Querschnitt des herzustellenden Kristalls „K“ ab. So kann der Innenquerschnitt z.B. rund, oval oder mehreckig ausgebildet sein. Der mehreckige Querschnitt kann z.B. von einem Quadrat, einem Rechteck,
einem Fünfeck, Sechseck, Achteck oder dergleichen gebildet sein.
Die Tiegelwand 4 definiert ihrerseits eine Tiegelwand-Innenfläche 8 und eine Tiegelwand-Außenfläche 9, wobei in radialer Richtung gesehen von den beiden Tie-
gelwand-Flächen 8 und 9 eine Tiegelwanddicke 10 festgelegt wird.
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definieren die Tiegelwand 4 und der Tiegelboden 12 den Aufnahmeraum 11.
Es ist bei diesem Ausführungsbeispiel und auch bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgesehen, dass der Tiegelboden 12 selbst zu seinem überwiegenden Anteil ausschließlich aus einer Platte 13 aus einem bereits zuvor künstlich hergestellten Saphir-Kristall „K“ gebildet ist oder wird. Bevorzugt ist jedoch der gesamte Tiegelboden 12 ausschließlich von der Platte 13 aus dem bereits zuvor künstlich hergestellten Saphir-Kristall „K“ gebildet. Damit wird von der den Tiegelboden 12 bildenden Platte 13 ein Keimkristall für den herzustellenden Saphir-Kristall „K“ gebildet. Es wurde jeweils die Trennlinie zwischen der Platte 13 und dem bereits neu hergestellten Saphir-Kristall „K“ mit einer strichlierten Linie dargestellt, da am Beginn des Aufschmelzvorgangs des Basismaterials 2 und der Bildung der Schmelze „S“ die dem Aufnahmeraum 11 zugewendete Oberfläche der Platte 13 zumindest teilweise oder gänzlich aufgeschmolzen wird und bei fortschreitender Abkühlung und Kristallisation ein zusammengehöriger einstückiger
Saphir-Kristall „K“ ausgebildet wird.
Die den Tiegelboden 12 bildende Platte 13 kann eine Plattenstärke 14 aufweisen,
welche aus einem Plattenstärke-Wertebereich stammt, dessen untere Grenze
0,5 mm, insbesondere 1 mm, und dessen obere Grenze 5 mm, insbesondere 2
mm, beträgt.
Weiters kann der offene erste Endbereich 5 der Tiegelwand 4 von einem Tiegeldeckel 15 abgedeckt sein. Als möglicher Werkstoff zur Bildung der Tiegelwand 4 und/oder des Tiegeldeckels 15 kann ein Material aus der Gruppe von Iridium (Ir),
Wolfram (W), Molybdän (Mo) ausgewählt werden.
Da zumeist der Saphir-Kristall „K“ und auch die den Tiegelboden 12 bildenden Platte 13 glasklar bis durchsichtig ausgebildet sind oder werden, besteht die Mög-
lichkeit durch die Platte 13 hindurch die unterschiedlichsten Messungen in den
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oder die ermittelten Messwerte an diese übertragen.
Der Sensor 16 kann z.B. dafür ausgebildet sein, die relative Lage einer Grenzschicht 18 zwischen dem erstarrten Saphir-Kristall „K“ und der sich noch oberhalb befindlichen Schmelze „S“ aus dem Basismaterial 2 zu ermitteln. Die vom Sensor 16 ausgesendeten Messstrahlen sind in strichlierten Linien bis hin zur Grenzschicht 18 angedeutet bzw. dargestellt. Es wäre aber auch noch möglich, die Lage der Schmelze-Oberfläche innerhalb des Aufnahmeraums 11 mittels dieses Sensors 16 und/oder aber einem weiteren nicht näher dargestellten Sensor zu ermitteln. Die an der Schmelzeoberfläche endenden Messstrahlen sind bei diesem Ausführungsbeispiel und auch den nachfolgend noch beschriebenen Ausführungsbeispielen jeweils mit strich-punktierten Linien angedeutet. Es wäre aber auch möglich, mit dem gleichen Sensor 16 und der ermittelten unterschiedlichen Laufdauer der Messstrahlen bis hin zur Grenzschicht 18 zwischen dem erstarrten Saphir-Kristall „K“ und der sich noch oberhalb befindlichen Schmelze „S*“ oder bis hin
zu der Schmelzeoberfläche die jeweilige Lage oder Höhenposition zu eruieren.
Bei einem Sensor 16, welcher auch als Detektor, Fühler, Messfühler oder Aufnehmer bezeichnet werden kann, handelt es sich um ein technisches Bauteil, das bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften und/oder die stoffliche Beschaffenheit seiner Umgebung qualitativ oder als Messgröße quantitativ erfassen kann. Diese Größen werden mittels physikalischer, chemischer oder biologischer Effekte erfasst und in ein weiterverarbeitbares elektrisches Signal umgeformt und gegebenenfalls an die Steuerungsvorrichtung 17 übertragen. Mittels der Steuerungsvorrichtung 17 kann die Anlage mit der Vorrichtung 1 und der Verfahrensab-
lauf geregelt und gesteuert werden.
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von der Tiegelwand-Außenfläche 9 definierte äußere Querschnittsabmessung.
Die Tiegelwand 4 kann weiters mittels der Platte 13 auf einer nicht näher bezeichneten Stützvorrichtung abgestützt werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Stützvorrichtung von einzelnen, bevorzugt über den Umfang verteilt angeordneten Stützelementen gebildet. Außerhalb der Tiegelwand 4 ist noch vereinfacht eine Heizvorrichtung 20 schematisch angedeutet, mittels welcher das in den Aufnahmeraum 11 eingebrachte Basismaterial 2 zu einem Schmelzebad aufgeschmolzen und die Schmelze „S“ bei deren Abkühlung zu dem herzustellenden
Saphir-Kristall „K“ auskristallisiert und verfestigt wird.
In der Fig. 2 ist eine weiteres und gegebenenfalls für sich eigenständiges Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in der vorangegangenen Fig. 1 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die detaillierte Beschreibung in der vorangegangenen Fig. 1 hingewiesen bzw. Bezug
genommen.
Die Vorrichtung 1 umfasst wiederum ebenfalls die Tiegelwand 4, gegebenenfalls den Tiegeldeckel 15 und den aus der kristallinen Platte 13 gebildeten Tiegelboden 12.
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meraum 11 eingesetzt.
Um eine positionierte Halterung der Platte 13 relativ bezüglich der Tiegelwand 4 zu erzielen, können mehrere Halteansätze 22 vorgesehen sein. Die Halteansätze 22 überragen die Tiegelwand-Innenfläche 8 in Richtung auf die Längsachse 7 und sind bevorzugt über den Umfang der Tiegelwand-Innenfläche 8 verteilt angeordnet. Weiters können die Halteansätze 22 einen integralen Bestandteil der Tiegelwand 4 bilden und aus demselben Werkstoff oder Material wie die Tiegelwand 4 gebildet sein. Unter dem Begriff integral wird hier verstanden, dass die Haltean-
sätze 22 einstückig mit der Tiegelwand 4 ausgebildet sind.
Sind die Halteansätze 22 vorgesehen, ist die den Tiegelboden 12 bildende Platte 13 auf den Halteansätzen 22 auf jeweils deren dem offenen ersten Endbereich 5 zugewendeten Seite auflagernd abgestützt. Die Halteansätze 22 sind zumeist als Vorsprünge oder Ansätze ausgebildet. Es wäre aber auch noch möglich, die Halteansätze 22 durch einen über den Innenumfang durchlaufend ausgebildeten Hal-
teflansch auszubilden.
Die AußRenabmessung 19 der den Tiegelboden 12 bildenden Platte 13 kann so gewählt werden, dass diese mit ihrer äußeren Umfangs-Stirnfläche 23 durchgängig dichtend an der Tiegelwand-Innenfläche 8 anliegt. Die Platte 13 soll flüssigkeits-
dicht an der Tiegelwand-Innenfläche 8 anliegen.
Es kann auch hier wiederum der zuvor beschriebene Sensor 16 vorgesehen sein. Da die Platte 13 bevorzugt vollständig in den Aufnahmeraum 11 eingesetzt ist, kann die tragende Abstützung der Tiegelwand 4 mit ihrem bodenseitigen zweiten
Endbereich 6 auf zumindest einem Stützelement 24 erfolgen.
In der Fig. 3 ist eine weitere und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungsform der Vorrichtung 1 gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Be-
zugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in den vorangegangenen Fig. 1 und
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2 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die detaillierte Beschreibung in den vorangegangenen Fig. 1 und 2 hingewiesen bzw.
Bezug genommen.
Die Vorrichtung 1 umfasst wiederum ebenfalls die Tiegelwand 4, gegebenenfalls den Tiegeldeckel 15 und den aus der kristallinen Platte 13 gebildeten Tiegelboden 12.
Die den Tiegelboden 12 bildende Platte 13 weist hier ebenfalls die Außenabmessung 19 auf, welche maximal einer von der Tiegelwand-Innenfläche 8 definierten Querschnittsabmessung entspricht. Weiters ist die Platte 13 bodenseitig in den
Aufnahmeraum 11 eingesetzt. Die Außenabmessung 19 der den Tiegelboden 12 bildenden Platte 13 kann so gewählt werden, dass diese mit ihrer äußeren Um-
fangs-Stirnfläche 23 durchgängig und dichtend an der Tiegelwand-Innenfläche 8 anliegt. Die Platte 13 soll flüssigkeitsdicht an der Tiegelwand-Innenfläche 8 anlie-
gen.
Im Gegensatz zu dem zuvor in der Fig. 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel sind hier keine Halteansätze 22 zur Positionierung der Platte 13 an der Tiegelwand 4
vorgesehen.
Es ist hier vorgesehen, dass die Tiegelwand 4 und die den Tiegelboden 12 bildende Platte 13 gemeinsam auf einer allgemein als Stützvorrichtung 25 bezeichneten Komponente der Vorrichtung 1 auflagernd abgestützt sind. Die Stützvorrichtung 25 kann durch einzelne Stützelemente oder aber auch durch eine Stützplatte gebildet sein. Je nach Ausbildung der Stützvorrichtung 25 weist diese zumindest eine die Stützvorrichtung 25 in Richtung der Längsachse 7 durchdringende Durchsetzung 26 auf. Die zumindest eine Durchsetzung 26 dient dazu, wiederum den Einblick in den Aufnahmeraum 11 von dem zuvor beschriebenen Sensor 16 zu ermöglichen. So kann die Ermittlung oder können die unterschiedlichsten Ermittlun-
gen mit den dazu ausgebildeten Sensoren 16 durchgeführt werden.
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So kann nicht nur die relative Lage der zuvor beschriebenen Grenzschicht 18 zwischen dem bereits ausgebildeten Saphir-Kristall „K“ und der Schmelze „S“ sondern oder zusätzlich dazu die Qualität und/oder Reinheit des bereits ausgebildeten Saphir-Kristall „K“ ermittelt werden. Sollte z.B. eine Fehlkristallisation und/oder eine Qualitätsabweichung festgestellt werden, kann der weitere Kristallisationsvorgang und das Aufschmelzen des Basismaterials 2 abgebrochen werden, wodurch
ein hoher Anteil an Energiekosten eingespart werden kann.
Durch die im bodenseitigen zweiten Endbereich 6 zum überwiegenden Anteil nicht verschlossene und somit ebenfalls offene Ausbildung der Tiegelwand 4 kann die Entnahme des fertig hergestellten und auskristallisierten Saphir-Kristalls „K“ entweder durch den bodenseitig offen ausgebildeten zweiten Endbereich 6 hindurch, wie in den Fig. 1 und 3 gezeigt und beschrieben, oder aber durch eine bodenseitig aufgebrachte Druckkraft (Entformungskraft) auf den fertig hergestellten und auskristallisierten Saphir-Kristall „K“ in Richtung auf den offenen ersten Endbereich 5
aus der Tiegelwand 4 heraus entformt werden.
Das Verfahren zum Züchten des künstlich hergestellten Saphir-Kristalls „K“ kann bevorzugt unter Verwendung oder Anwendung der Vorrichtung 1 mit der Tiegelwand 4 und der den Tiegelboden 12 bildenden Platte 13 aus dem kristallinen Material als Keimkristall durchgeführt werden. Alternativ zu den in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Tiegeln kann auch ein Tiegel mit einem geschlossenen Boden Verwendung finden, wobei der Keimkristall bzw. die Platte 13 dann in den Tiegel einge-
setzt wird.
Es sind dabei zumindest folgende Schritte zur Durchführung des Verfahrens vor-
gesehen:
Anordnen eines einkristallinen Keimkristalls aus Saphir in einem Bodenbereich des Tiegels 3 und Ausrichten einer kristallographische c-Achse des Keimkristalls bzw. der Platte 13 entsprechend einer sich in Richtung der Höhe der Tiegelwand 4 erstreckende Längsachse 7 des Tiegels. Unter der kristallographischen c-Achse
wird hierbei die optische Achse des Kristalls verstanden, entlang derer jede Polari-
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sationskomponente eines Lichtstrahls den gleichen Brechungsindex erfährt. Anordnen des Basismaterials 2, insbesondere Al2Os, in dem Tiegel 3 auf dem Keimkristall und Aufschmelzen des Basismaterials 2, wobei ein Kristallwachstum durch Kristallisation an einer Grenzschicht zwischen aufgeschmolzenen Basismaterial 2 und Keimkristall in Richtung der c-Achse fortschreitend erfolgt. Der Keimkristalls wird bevorzugt so angeordnet, dass seine c-Achse mit der Längsachse des Tie-
gels zusammenfallend angeordnet wird.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass auch mehrere Kristalle gleichzeitig in einem Ofen gezüchtet werden können, indem mehrere Tiegel 3 in dem Ofen bzw. einer Kammer des Ofens angeordnet werden. Werden mehrere Kristalle gleichzeitig in einem Ofen gezüchtet, so wird das hier beschriebene Verfahren für jeden Kristall durchgeführt. Die gleichzeitige Zucht mehrerer Kristalle in einem
Ofen ist vor allem hinsichtlich des Energiebedarfs vorteilhaft.
Der Keimkristall ist im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet und weist
eine erste Flachseite und eine zweite Flachseite sowie eine Längsmittelachse aufweist, welche Längsmittelachse in Richtung von der ersten Flachseite zur zweiten Flachseite ausgebildet ist, wobei die c-Achse des Keimkristalls mit der Längsmittelachse des Keimkristalls zusammenfällt. Bevorzugt ist es vorgesehen, dass eine Flachseite eine Krümmung aufweist, die einen höchsten Punkt sowie einen tiefsten Punkt bezüglich der Längsmittelachse aufweist, wobei ein Abstand zwischen dem höchsten Punkt und dem tiefsten Punkt der Krümmung bezüglich der Längsmittelachse weniger als 7um beträgt. Die Krümmung des Keimkristalls kann hierbei konkav oder konvex ausgebildet sein. Die Krümmung bezieht sich hierbei auf die Krümmung eines Impfkristalls, d.h. nach einem einseitigen oder doppelseitigen
Polieren des Keimkristalls.
Die Position der c-Achse kann auf dem Keimkristall, insbesondere auf dessen der Kristallwachstumsrichtung abgewandten Seite markiert sein, beispielsweise mit einem Punkt oder einer Einkerbung. Auch auf der dem Keimkristall gegenüberliegenden Oberfläche des fertigen Ingot kann die Position der c-Achse entsprechend
markiert werden. Weiters können die Positionen der Wafer auf dem fertigen Ingot
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markiert werden, sodass ein Herausschneiden der Wafer aus dem Ingot verein-
facht wird.
Da der Tiegel 3 bzw. die Tiegel 3 von dem Keimkristall aus betrachtet nach oben offen ist bzw. sind, wenn der Deckel 15 entfernt wird, kann bei nicht abgedecktem Tiegel bzw. nicht abgedeckten Tiegeln 3 ein Spiegel einer Schmelze des Basismaterial mittels zumindest eines in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 28 versehenen oberen Heizelements, welches über einer offenen Seite des Tiegels 4 angeordnet werden kann von oben direkt erwärmt werden, wobei zwischen dem Heizelement 28 und der offenen, oberen Seite des Tiegels bevorzugt ein Wärmediffusorelement 27, beispielsweise eine Diffusorplatte, zur Herstellung eines gleichmäßigen
Wärmeverteilung direkt an dem Heizelement angeordnet sein kann.
Weiters kann die Tiegelwand 4 jedes Tiegels 3 über ihre gesamte Erstreckung eine gleichbleibende Wärmeleitfähigkeit und/oder gleiche optische und/oder gleiche mechanische Eigenschaften aufweist. Die Tiegelwand 4 kann an ihrer TiegelInnenwand 8 auch eine gleichartige Oberflächenausbildung aufweisen. Weiters kann die zylinderförmige Tiegelwand 4 in sich ringförmig geschlossen und nahtlos ausgebildet sein sowie über ihre gesamte Erstreckung einen gleichartigen strukturellen Aufbau aufweisen. Die Tiegelwand 4 weist somit bevorzugt keine von oben
nach unten erstreckende Füge-bzw. Verbindungsstelle auf.
Durch die nahtlose und homogene Ausbildung der Tiegelwand 4 wird eine lokale Schwächung des Materials, wie sie eine Schweißnaht darstellt, vermieden. Insbesondere kann dadurch vermieden werden, dass sich entlang der Schweißnaht Fehlstellen in dem Einkristall während des Kristallwachstums bilden. Besonders geeignet zur Herstellung der Tiegelwand 4 ist ein Schleudergussverfahren geeignet. Die Tiegelwand 4 kann dann mit dem Tiegelboden 12 verbunden werden. Falls der Tiegelboden 12 durch den Keimkristall selbst gebildet wird kann die Tiegelwand 4 auf den Tiegelboden gestellt werden. Falls der Tiegelboden 12 aus dem gleichen oder einem ähnlichen Material wie die Tiegelwand 4 gebildet wird, so kann die Tiegelwand 4 mit dem Tiegelboden 12 beispielsweise durch Schweißen verbunden werden. In diesem Fall kann der Keimkristall in den Tiegel 4 einge-
setzt werden.
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Der herzustellende Einkristall weist vorzugsweise einen AuRendurchmesser bzw. eine Querschnittsfläche auf, der dem Innendurchmesser bzw. der Innengeometrie des Tiegels 3 entspricht. Somit füllt der entstehende Einkristall bevorzugt die Querschnittsfläche des Tiegels 3 zur Gänze aus. Der Einkristall wird also bevorzugt nicht aus dem Tiegel gezogen. Der fertige Einkristall kann beispielsweise einen Durchmesser zwischen 5 cm und 50 cm und eine Höhe zwischen 5 cm und 80 cm aufweisen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass diese Werte der Veranschaulichung dienen und den Schutzumfang nicht beschränkend verstanden wer-
den sollen.
Durch Schneiden quer zur Längsachse 7 lässt sich der erhaltene Einkristall Ingot in Wafer schneiden, die im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet ist,
- eine erste Flachseite und eine zweite Flachseite aufweisen;
- eine Längsmittelachse aufweisen, welche Längsmittelachse in Richtung von der ersten Flachseite zur zweiten Flachseite ausgebildet ist,
wobei zumindest eine Flachseite eine Krümmung aufweist; welche Krümmung einen höchsten Punkt sowie einen tiefsten Punkt bezüglich der Längsmittelachse aufweist; wobei ein Abstand zwischen dem höchsten Punkt und dem tiefsten Punkt der
Krümmung bezüglich der Längsmittelachse weniger als 7um beträgt.
Die Längsmittelachse des Wafers ist ebenfalls durch die C-Achse gebildet, wobei die Position der c-Achse auf dem Wafer optisch markiert werden kann, beispiels-
weise mittels eines Punktes. Die Krümmung des Wafers kann konkav oder konvex ausgebildet sein.
Mittels des zuvor beschriebenen Sensors 16, gegebenenfalls in Kombination mit der Steuerungsvorrichtung 17, kann vom Sensor 16 durch die den Tiegelboden 12 bildenden Platte 13 hindurch z.B. die relative Lage der Grenzschicht 18 zwischen
dem bereits erstarrten Saphir-Kristall „K“ und der Schmelze „S“ ermittelt werden.
Dies deshalb, da die den Keimkristall bildende Kristall-Platte zumindest durchsich-
tig oder durchscheinend bis hin zu glasklar ausgebildet ist. Deshalb wird ein
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Durchtritt von vom Sensors 16 ausgesendeten oder abgegebenen Messstrahlen
durch die Platte 13 hindurch ermöglicht.
Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mitumfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mit umfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereiche beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1, oder 5,5 bis 10.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus Elemente teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert
und/oder verkleinert dargestellt wurden.
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Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Basismaterial
3 Tiegel
4 Tiegelwand
5 erster Endbereich
6 zweiter Endbereich
7 Längsachse
8 Tiegelwand-Innenfläche 9 Tiegelwand-Außenfläche 10 Tiegelwanddicke
11 Aufnahmeraum
12 Tiegelboden
13 Platte
14 Plattenstärke
15 Tiegeldeckel
16 Sensor
17 Steuerungsvorrichtung 18 Grenzschicht
19 Außenabmessung
20 Heizvorrichtung
21 Außenabmessung
22 Halteansätze
23 Umfangs-Stirnfläche 24 Stützelement
25 Stützvorrichtung
26 Durchsetzung
27 Wärmediffusorelement
28 Heizelement
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Claims (11)
1. Verfahren zur Herstellung zumindest eines einkristallinen Kristalls, insbesondere eines Saphirs, dadurch gekennzeichnet, dass ein einkristalliner Keimkristall in einem Bodenbereich eines Tiegels (3) mit einer zylindermantelförmigen Tiegelwand (4) angeordnet wird oder einen Boden des Tiegels (3) bildet und eine kristallographische c-Achse des Keimkristalls entsprechend einer sich in Richtung der Höhe der Tiegelwand erstreckende Längsachse des Tiegels ausgerichtet wird, worauf über dem Keimkristall in dem Tiegel ein Basismaterial angeordnet und aufgeschmolzen wird, wobei ein Kristallwachstum durch Kristallisation an einer Grenzschicht zwischen aufgeschmolzenen Basismaterial und Keimkristall in Rich-
tung der c-Achse fortschreitend erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die c-Achse des Keimkristalls mit der Längsachse (7) des Tiegels (3) zusammenfallend ange-
ordnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als
Basismaterial Alz2O03 verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Keimkristall im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet ist,
- eine erste Flachseite und eine zweite Flachseite aufweist;
- eine Längsmittelachse aufweist, welche Längsmittelachse in Richtung von der ersten Flachseite zur zweiten Flachseite ausgebildet ist, wobei die cAchse des Keimkristalls mit der Längsmittelachse des Keimkristalls zusammenfällt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die Position der c-Achse auf dem Keimkristall markiert wird.
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6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel von dem Keimkristall aus betrachtet nach oben offen ist und ein Spiegel einer Schmelze des Basismaterial mittels zumindest eines oberen Heizelements (28), welches über einer offenen, oberen Seite des Tiegels (4) angeord-
net ist, von oben erwärmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Heizelement (28) und der offenen Seite des Tiegels (4) ein Wärmediffusorelement (27) zur Herstellung eines gleichmäßigen Wärmeverteilung angeordnet
wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiegelwand (4) über ihre gesamte Erstreckung eine gleichbleibende Wär-
meleitfähigkeit und/oder gleichbleibende mechanische Eigenschaften aufweist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiegelwand (4) an ihrer Tiegelwand-Innenseite (8) eine gleichartige Ober-
flächenausbildung aufweist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiegelwand (4) in sich ringförmig geschlossen und nahtlos ausgebildet
ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiegelwand (4) über ihre gesamte Erstreckung einen gleichartigen
strukturellen Aufbau aufweist.
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