AT524602B1 - Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Herstellung eines Einkristalls, insbesondere eines Saphir-Einkristalls, umfassend einen Tiegel (2) zur Aufnahme von zu schmelzendem Ausgangsmaterial, insbesondere Aluminium(III)-oxid, und zumindest ein erstes Heizelement (5), zur Erhitzung des Ausgangsmaterials, wobei zwischen dem ersten Heizelement (5) und dem Tiegel (2) ein Wärmediffusorelement (9) angeordnet ist. Das Wärmediffusorelement (9) weist eine netzartige oder gitterförmige oder filzartige Oberflächenstruktur oder eine Oberflächenrauigkeit Ra nach DIN EN ISO 4287:2010 zwischen 0,5 μm und 50 μm auf.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls, insbesondere eines Saphir-Einkristalls, umfassend einen Tiegel zur Aufnahme von zu schmelzendem Ausgangsmaterial, insbesondere Aluminium(Ill)-oxid, und zumindest ein erstes Heizelement, zur Erhitzung des Ausgangsmaterials, wobei zwischen dem ersten Heizelement und dem Tiegel ein Wärmediffusorelement angeordnet ist.

[0002] Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls, insbesondere eines Saphir-Einkristalls, wonach in zumindest einen Tiegel ein Material eingefüllt wird, aus dem der Einkristall hergestellt wird, und das Material dazu mit mindestens einem Heizelement aufgeschmolzen wird, und zumindest ein Anteil der von dem Heizelement erzeugten thermischen Energie mit zumindest einem Wärmediffusorelement verteilt wird.

[0003] Zudem betrifft die Erfindung die Verwendung eines Wärmediffusorelements in der Herstellung eines Einkristalls, insbesondere eines Saphir-Einkristalls.

[0004] 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. Der 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 SiEinkristalls, 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 reflektieren und damit die Energieeffizienz der Einkristallzüchtung zu verbessern.

[0005] 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 Tiegels angeordnet ist, um den Tiegel zu erhitzen, und eine Wärmeversorgungseinheit, die über einem im Tiegel wachsenden Einkristall angeordnet ist, um dem Einkristall Wärme zuzuführen. Auch bei dieser Vorrichtung ist ein Reflektor vorgesehen, der die in der Kammer erzeugte Wärme zu einer Oberfläche des Einkristalls reflektiert.

[0006] Die EP 2 574 689 A1 beschreibt einen Ofen für die gerichtete Erstarrung von Kristallen, der in aufeinanderfolgender Weise Folgendes aufweist: einen Tiegel, Heizelemente, zwei erste Verschlüsse, die in einer ersten Ebene angeordnet sind, die durch Translationsbewegungen zueinander hin- oder voneinander wegbewegt werden können, ein Antriebssystem, welches fähig ist, die ersten und zweiten Verschlüsse zueinander hin und voneinander weg zu schieben, und einen Wärmetauscher. Oberhalb des Tiegels und unterhalb eines Heizelementes ist eine Platte aus Grafit angeordnet.

[0007] Aus der US 2011/179992 A1 ist ein Verfahren zur Kontrolle des Wachstums eines Saphirs bekannt, nach dem mittels eines Pyrometers Phasenänderungen detektiert werden. Im Ofen können u.a. Hitzeschilde und Wärmeübertragungselemente angeordnet sein, wobei auf deren konkrete Platzierung nicht weiter eingegangen wird.

[0008] Aus der KR 10-1196445 B1 ist ein Ofen zur Züchtung eines Saphir-Einkristalls bekannt. Der Tiegel ist dabei seitlich und unterhalb des Bodens von einer thermischen Isolierung aus Graphit umgeben.

[0009] Die WO 2016117756 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Züchten von Saphir-Einkristallen, die u.a. Heizelemente und Reflektoren aufweist, die mittels Antriebselementen bewegt werden können.

[0010] Aus der US 2011/048316 A1 ist eine Tiegel-Isolierung aus einem Graphit-Filz bekannt.

[0011] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Energieeffizienz der Herstellung eines Einkristalls zu verbessern.

[0012] Die Aufgabe der Erfindung wird bei der eingangs genannten Vorrichtung dadurch gelöst, dass das Wärmediffusorelement eine netzartige oder gitterförmige oder filzartige Oberflächenstruktur oder eine Oberflächenrauigkeit Ra nach DIN EN ISO 4287:2010 zwischen 0,5 um und 50 um aufweist.

[0013] Die Aufgabe der Erfindung wird auch mit dem eingangs genannten Verfahren gelöst, bei dem die Verteilung der thermischen Energie mit einem Wärmediffusorelement durchgeführt wird, das eine netzartige oder gitterförmige oder filzartige Oberflächenstruktur oder eine Oberflächenrauigkeit Ra nach DIN EN ISO 4287:2010 zwischen 0,5 um und 50 um aufweist.

[0014] Weiter wird die Aufgabe der Erfindung mit der Verwendung eines Wärmediffusorelements in der Herstellung eines Einkristalls, insbesondere eines Saphir-Einkristalls, gelöst, das eine netzartige oder gitterförmige oder filzartige Oberflächenstruktur oder eine Oberflächenrauigkeit Ra nach DIN EN ISO 4287:2010 zwischen 0,5 um und 50 um aufweist.

[0015] Von Vorteil ist dabei, dass aufgrund der Anordnung eines Wärmediffusorelements die in den Tiegel eingestrahlte Wärmeenergie besser verteilt werden kann, womit eine homogenere Wärmenergieeinstrahlung erreicht werden kann. Die Folge davon ist nicht nur eine Möglichkeit zur Reduktion des Energieeinsatzes, sondern auch die Möglichkeit der qualitativen Verbesserung der hergestellten Einkristalle. Daneben ist aufgrund einer homogeneren Wärmeverteilung im Tiegel auch eine einfachere Temperaturregelung und/oder -steuerung erreichbar. Für eine Verbesserung der genannten Effekte weist das Wärmediffusorelement eine netzartige oder filzartige Oberflächenstruktur oder eine Oberflächenrauigkeit Ra nach DIN EN ISO 4287:2010 zwischen 0,5 um und 50 um auf.

[0016] Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Wärmediffusorelement oberhalb des Tiegels angeordnet ist. Es ist damit einfacher möglich, bei offenem Tiegel direkt auf den Tiegelinhalt Einfluss zu nehmen, ohne dass auf das Zusammenspiel Tiegelwerkstoff-Wärmediffusorelement Rücksicht genommen werden muss.

[0017] Nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Wärmediffusorelement am Heizelement angeordnet ist. Es ist damit eine unmittelbare Einleitung und Verteilung der vom Heizelement erzeugten Wärme (Hitze) in das bzw. mit dem Wärmediffusorelement erreichbar.

[0018] Aufgrund der thermischen Eigenschaften ist das Wärmediffusorelement gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung durch Graphit gebildet oder umfasst Graphit.

[0019] Nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Maschenweite des netz- oder gitterförmigen Wärmediffusorelementes zwischen 1 mm und 2 cm beträgt.

[0020] Für eine Verbesserung der voranstehend genannten Effekte kann nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen werden, dass das Wärmediffusorelement eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 1 W/(m.K) bei 20 °C aufweist.

[0021] Gemäß einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest ein zweites Heizelement und/oder ein zumindest ein Reflektor angeordnet ist/sind, um damit eine weitere Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung in der Tiegelfüllung zu erreichen.

[0022] Um die Temperatur in der Tiegelfüllung besser regeln und/oder steuern zu können, kann nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen werden, dass das erste Heizelement und/oder das Wärmediffusorelement höhenverstellbar ausgebildet ist/sind.

[0023] Ebenfalls zur besseren Temperaturkontrolle der Tiegelfüllung kann nach einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen werden, dass der Tiegel oben offen ist.

[0024] Nach einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest eines der Heizelemente am Tiegel anliegt, womit schnellere Temperaturänderungen erreichbar sind.

[0025] Nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann zur Steigerung der Effizienz der Vorrichtung vorgesehen sein, dass mehrere Tiegel darin angeordnet sind.

[0026] Dabei kann nach einer Ausführungsvariante dazu vorgesehen werden, dass das Wärmediffusorelement oberhalb mehrerer oder sämtlicher Tiegel angeordnet ist, oder dass jedem Tiegel ein eigenes Wärmediffusorelement zugeordnet ist. Es kann damit entweder in mehreren oder allen Tiegeln eine gleichmäßigere Temperaturverteilung erreicht werden. Andererseits kann zwischen den Tiegeln ein ungleichmäßige Temperaturverteilung ermöglicht werden, wenn nicht sämtlichen Tiegeln ein Wärmediffusorelement zugeordnet ist oder wenn die Wärmediffusorelemente verschiedener Tiegeln unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.

[0027] Nach einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zwischen den Tiegeln eine weiteres Heizelement angeordnet ist. Es kann damit die Temperaturverteilung in den Tiegeln besser beeinflusst werden.

[0028] Zur weiteren Verbesserung dieses Effekts kann vorgesehen werden, dass das weitere Heizelement höhenverstellbar ist.

[0029] Eine weitere Verbesserung der Energieeffizienz kann erreicht werden, wenn nach Ausführungsvarianten der Erfindung der oder die Tiegel eine Isolierung aus einem Graphit-Filz aufweist/aufweisen.

[0030] Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

[0031] Es zeigen jeweils in vereinfachter, schematischer Darstellung: [0032] Fig. 1 eine Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls in Seitansicht geschnitten;

[0033] Fig. 2 eine Ausführungsvariante der Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls in Draufsicht geschnitten.

[0034] 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 Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.

[0035] In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Herstellung eines Einkristalls vereinfacht dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Tiegel 2, in den ein Rohmaterial eingefüllt wird. Das Rohmaterial richtet sich dabei nach dem herzustellenden Einkristall. Beispielsweise besteht es aus Al,-Os, wenn ein Saphir als Einkristall hergestellt werden soll. Es kann aber auch aus Si, SiC, etc., bestehen.

[0036] Der Tiegel 3 ist vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet, kann aber auch eine andere Querschnittsform aufweisen, beispielsweise eine polygonale.

[0037] Der herzustellende Einkristall weist vorzugsweise einen Außendurchmesser bzw. eine Querschnittsfläche auf, der dem Innendurchmesser bzw. der Innengeometrie eines Tiegelmantels 3 entspricht. Somit füllt der entstehende Einkristall bevorzugt die Querschnittsfläche des Tiegels 2 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 werden sollen.

[0038] Es sei bereits an dieser Stelle der Vollständigkeit halber erwähnt, dass die Vorrichtung 1 noch weitere als die in dieser Beschreibung erwähnten Elemente umfasst, wie z.B. eine Steuerund/oder Regeleinheit, etc. Da diese aber dem Stand der Technik entsprechen können, wird in dieser Beschreibung nicht weiter darauf eingegangen, sondern an den hierfür einschlägigen Stand der Technik verwiesen.

[0039] Der Tiegel 2 ist in einem Ofen 4 angeordnet. In dem Ofen 4 ist zumindest ein Heizelement 5 angeordnet. Das zumindest eine Heizelement 5 dient dazu, die Tiegelfüllung zu schmelzen, wie dies an sich bekannt ist.

[0040] Insbesondere ist zumindest ein Heizelement 5 oberhalb des Tiegels 2 angeordnet. Wie aber aus Fig. 1 zu ersehen ist, weist die Vorrichtung 1 neben dem Heizelement 5 weitere Heizelemente auf, insbesondere zumindest ein zweites Heizelement 6, das seitlich vom Tiegelmantel 3 angeordnet ist, und/oder ein drittes Heizelement 7, das unterhalb des Tiegels 2 angeordnet ist. Es können über den Umfang des Tiegels 2 verteilt auch mehrere zweite Heizelemente 7 angeordnet sein. Alternativ dazu kann das zweite Heizelement 6 rohrförmig ausgebildet sein und der Tiegel 2 innerhalb dieses rohrförmigen Heizelementes 6 angeordnet sein.

[0041] Das Heizelement 5 oder die Heizelemente 5-7 können den Stand der Technik entsprechend ausgebildet sein, beispielsweise als Widerstandsheizelemente.

[0042] Die Heizelemente 5-7 können beabstandet zum Tiegel 2 im Ofen 4 angeordnet sein. Ein Abstand 8 kann beispielsweise zwischen 3 cm und 150 cm, insbesondere zwischen 10 cm und 50 cm, betragen. Es ist aber nach einer Ausführungsvariante der Vorrichtung 1 auch möglich, dass zumindest eines der Heizelemente 57 an einer Oberfläche des Tiegels 2 anliegt, insbesondere unmittelbar anliegt.

[0043] Zwischen zumindest einem der Heizelement 5-7, insbesondere zwischen dem oberhalb des Tiegels 2 angeordneten Heizelement 5, und dem Tiegel 2 ist zur besseren (gleichmäßigeren) Verteilung der von dem Heizelement 5-7 abgestrahlten Wärme zumindest ein Wärmediffusorelement 9 angeordnet.

[0044] Es sei darauf hingewiesen, dass zumindest ein Wärmediffusorelement 9 alternativ oder zusätzlich zwischen dem seitlichen Heizelement 6 und dem Tiegel 2 und/oder zwischen dem unteren Heizelement 7 und dem Tiegel 2 angeordnet sein kann.

[0045] Das Wärmediffusorelement 9 ist vorzugsweise beabstandet zum Tiegel 2 angeordnet. Es kann auch beabstandet zum Heizelement 5-7 angeordnet sein. Ein Abstand 10 zwischen dem Tiegel und dem Wärmediffusorelement 9 kann beispielsweise zwischen 10 % und 90 % des Abstandes 8 zwischen dem Heizelement 5-7 und dem Tiegel 2 betragen. Ein Abstand 11 zwischen dem Heizelement 5-7 und dem Wärmediffusorelement 9 kann ebenfalls aus diesem Bereich ausgewählt sein. Selbstverständlich kann die Summe der Abstände 10 und 11 nicht größer sein als der Abstand 8 zwischen dem Heizelement 5-7 und dem Tiegel, abzüglich der Dicke des Wärmediffusorelementes 9 in dieser Richtung.

[0046] Gemäß einer Ausführungsvariante der Vorrichtung 1 kann aber auch vorgesehen sein, dass ein oder das Wärmediffusorelement 9 am Heizelement 5 und/oder am Heizelement 6 und/oder am Heizelement 7 angeordnet ist, insbesondere unmittelbar daran angeordnet ist, und vorzugsweise auch damit verbunden ist.

[0047] Generell kann das Wärmediffusorelement 9 mittels eines geeigneten Halteelementes (das in den Figuren nicht dargestellt ist) gehalten werden. Es kann aber auch - wie ausgeführt - mit dem jeweiligen Heizelement 5-7 verbunden sein, beispielsweise formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig. Weiter ist es auch möglich, dass das Wärmediffusorelement 9 als Beschichtung des Heizelementes 5-7, vorzugsweise als schwarze Beschichtung, ausgeführt ist. Generell kann das Wärmediffusorelement 9 eine schwarze Farbe aufweisen.

[0048] Alternativ oder zusätzlich dazu kann das oder ein weiteres Wärmediffusorelement 9 auch an dem Tiegel 2 anliegend, insbesondere unmittelbar anliegend, angeordnet sein. Auch in diesem Fall kann das Wärmediffusorelement 9 als Beschichtung ausgeführt sein bzw. auf eine oder meh-

rere der vorhergehenden Arten mit dem Tiegel 2 verbunden sein.

[0049] Das Wärmediffusorelement 9 ist netz- bzw. gitterförmig ausgebildet sein. Eine Maschenweite des netz- oder gitterförmigen Wärmediffusorelementes 9 kann beispielsweise zwischen 1 mm und 2 cm betragen. Das Wärmediffusorelement 9 kann auch filzartig ausgebildet sein.

[0050] Alternativ dazu weist das Wärmediffusorelement 9 eine Oberflächenrauigkeit Ra nach DIN EN ISO 4287:2010 zwischen 0,5 um und 50 um, insbesondere zwischen 0,7 um und 3,5 um, auf.

[0051] Durch die Anordnung des zumindest einen Wärmediffusorelementes 9 zwischen dem Heizelement 5-7 und dem Tiegel 2 erfolgt also vorzugsweise keine direkte Einstrahlung der Wärmestrahlung, die von dem Heizelement 5-7 abgegeben wird dem das Wärmediffusorelement 9 zugeordnet ist, in den Tiegel 2, d.h. in die Tiegelfüllung. Stattdessen wird die Wärme vorerst auf eine größere Fläche (gleichmäßig) verteilt, bevor es vom Wärmediffusorelement 9 abgestrahlt wird. Es ist somit auch möglich, kleinere Heizelemente 5-7 in der Vorrichtung 1 einzusetzen oder gegebenenfalls die Heizleistung zu reduzieren. Unabhängig davon kann auch bei unveränderter Heizleistung und/oder Heizfläche durch die Vergleichmäßigung und/oder die kontrollierte Wärmeeinstrahlung in den Tiegel 2 eine Qualitätssteigerung des hergestellten Einkristalls erreichbar sein.

[0052] Für eine effizientere Verteilung der Wärme kann nach einer weiteren Ausführungsvariante der Vorrichtung 1 vorgesehen sein, dass das Wärmediffusorelement 9 eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 1 W/(m.K) bei 20 °C, vorzugsweise von zumindest 80 W/(m.K) bei 20 °C, insbesondere zwischen 100 W/(m.K) bei 20 °C und 500 W/(m.K) bei 20 °C, aufweist. Vorzugsweise besteht des Wärmediffusorelement 9 aus Graphit oder umfasst Graphit. Es können aber auch andere Werkstoffe für das Wärmediffusorelement 9 eingesetzt werden, wie beispielsweise CFC (Carbonfiberreinforced Carbon).

[0053] Nach einer weiteren Ausführungsvariante der Vorrichtung 1 kann auch vorgesehen sein, dass (zumindest) in einem Teilbereich zwischen dem Heizelemente 5-7 und dem Tiegel 2 ein Reflektor 12 angeordnet ist. Bei vorhandenem Wärmediffusorelement 9 kann der/ein Reflektor 12 zwischen dem Wärmediffusorelement 9 und dem Tiegel 2 und/oder zwischen dem Wärmediffusorelement 9 und dem Heizelement 5-7 angeordnet sein.

[0054] Es besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass zwischen dem Heizelement 57 und dem Tiegel 2 mehrere Wärmediffusorelemente 9 angeordnet sind. Diese können nebeneinander oder übereinander angeordnet sein. Weiter kann zwischen mehreren Heizelementen 5-7 und dem Tiegel 2 jeweils zumindest ein Wärmediffusorelement 9 angeordnet sein. Durch den Einsatz von mehreren Wärmediffusorelementen 9 besteht die Möglichkeit, Wärmediffusorelemente 9 mit unterschiedlichen Eigenschaften, insbesondere unterschiedlichen thermischen Eigenschaften, vorzugsweise unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten, in einer Vorrichtung 1 gemeinsam einzusetzen. Es ist damit möglich auf die Wärmeverteilung einzuwirken, indem in unterschiedlichen Bereichen die Charakteristik des Heizelementes 5-7 berücksichtigende Wärmediffusorelemente 9 eingesetzt werden.

[0055] Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Vorrichtung 1 kann vorgesehen sein, dass das erste Heizelement 5 oder zumindest eines der Heizelement 5-7 und/oder das Wärmediffusorelement 9 höhenverstellbar ausgebildet bzw. in der Vorrichtung 1 gehalten ist/’sind. Auch mit dieser Ausführungsvariante kann auf die Wärmeeinstrahlung in den Tiegel 2 Einfluss genommen werden, womit die Qualität der hergestellten Einkristalls verbessert werden kann. Beispielsweise kann mit dieser Ausführungsvariante in Abhängigkeit einer gemessenen Temperatur im Ofen 4 und/oder im Tiegel 2 das Wärmediffusorelement 9 und/oder zumindest eines der Heizelemente 5-7 näher an den Tiegel 2 herangebracht werden oder davon weiter entfernt werden.

[0056] Prinzipiell ist es möglich, dass der Tiegel 2 mit einer Abdeckung versehen ist. In der bevorzugten Ausführungsvariante der Vorrichtung 1 ist der Tiegel 2 aber offen. Das Wärmediffusorelement 9 bzw. zumindest eines der Wärmediffusorelemente 9 ist bei dieser Ausführungsvariante vorzugsweise dem offenen Ende des Tiegels 2 zugeordnet.

[0057] In der Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 1 ausschnittsweise gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in Fig. 1 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die detaillierte Beschreibung der vorangegangenen Fig. 1 hingewiesen bzw. Bezug genommen.

[0058] Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf die Darstellung von in Fig. 2 gezeigten Elementen der Vorrichtung 1 verzichtet. Dies bedeutet jedoch nicht (zwingend), dass diese bei der Ausführungsvariante nach Fig. 2 nicht vorhanden sind.

[0059] Im Wesentlichen unterscheidet sich die Vorrichtung 1 nach Fig. 2 von jener nach Fig. 1 dadurch, dass im Ofen 4 mehrere Tiegel 2 zur gleichzeitigen Herstellung von mehreren Einkristallen angeordnet sind. Konkret sind 6 Tiegel 2 gezeigt. Diese Anzahl soll jedoch nicht einschränkend verstanden werden. Es können auch weniger oder mehr als sechs Tiegel 2 angeordnet werden, beispielswiese zwei oder drei oder vier oder fünf oder sieben oder acht, etc.

[0060] Die Tiegel 2 sind kreisförmig angeordnet, vorzugsweise mit gleichem Abstand zueinander. Die geometrische Anordnung der mehreren Tiegel 2 kann aber auch anders erfolgen.

[0061] Bei dieser Ausführungsvariante der Vorrichtung 1 kann das Wärmediffusorelement 9 (in Fig. 1 dargestellt) oberhalb mehrerer oder sämtlicher Tiegel 2 angeordnet sein, wie dies in Fig. 2 mit strichlierten Linien versucht wird anzudeuten. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass jedem der Tiegel 2 ein eigenes Wärmediffusorelement 9 zugeordnet ist. Auch hier kann vorgesehen werden, wie dies bereits zu Fig. 1 beschrieben wurde, dass Wärmediffusorelemente 9 mit unterschiedlichen Eigenschaften bzw. Charakteristika eingesetzt werden. Es sei dazu auf voranstehende Ausführungen verwiesen, wobei in diesem Fall die Tiegelfüllungen ebenfalls unterschiedlich sein können.

[0062] Bei der Ausführungsvariante der Vorrichtung 1 nach Fig. 2 kann weiter vorgesehen sein, dass zwischen den Tiegeln 2 zumindest eine weiteres Heizelement 13 angeordnet ist, insbesondere in der Mitte zwischen den Tiegeln 2. Es ist damit möglich, dass Wärme nicht nur von außen in die Tiegel 2 eingestrahlt wird, sondern auch von der Mitte zwischen den Tiegeln 2, womit ebenfalls eine gleichmäßigere Wärmeverteilung im Ofen 4 erreicht werden kann.

[0063] Auch dieses weitere Heizelement 13 kann höhenverstellbar in der Vorrichtung 1 gehalten sein, wie dies bereits zu den Heizelementen 5-7 ausgeführt wurde, um damit Einfluss auf den Kristallisationsvorgang nehmen zu können.

[0064] Zudem kann auch zwischen diesem weiteren Heizelement 13 und zumindest einem der Tiegel 2 zumindest ein Wärmediffusorelement 9 angeordnet sein.

[0065] Gemäß einer weiteren Ausführungsvarianten der Vorrichtung 1, die in Fig. 1 andeutungsweise dargestellt ist, kann vorgesehen sein, dass der Tiegel 2 zumindest bereichsweise eine Isolierung 14 aufweist, insbesondere eine Isolierung 14 aus einem Graphit-Filz. Bei Anordnung von mehreren Tiegeln 2 kann einer oder können mehrere oder können alle eine derartige Isolierung aufweisen, wie dies in Fig. 2 angedeutet ist.

[0066] Die Isolierung 14 kann dem Tiegelmantel 3 und/oder dem Boden des Tiegels 2 zugeordnet sein.

[0067] Anstelle eines Graphit-Filzes kann für die Isolierung 14 auch ein CFC-Material eingesetzt werden.

[0068] Mit der Vorrichtung 1 kann ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls, insbesondere eines Saphir-Einkristalls, durchgeführt werden, wonach in zumindest einen Tiegel 2 ein Material eingefüllt wird, aus dem der Einkristall hergestellt wird, das Material dazu mit mindestens einem Heizelement 5-7, 13 aufgeschmolzen wird, wobei zumindest ein Anteil der von dem Heizelement 5-7, 13 erzeugten thermischen Energie mit zumindest einem Wärmediffusorelement 9 verteilt wird.

[0069] Wie aus dem Voranstehenden hervorgeht, sieht die Erfindung die Verwendung eines Wärmediffusorelements 9 in der Herstellung eines Einkristalls, insbesondere eines Saphir-Einkris-

talls, vor.

[0070] Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus der Vorrichtung 1 diese nicht zwingenderweise maßstäblich dargestellt ist.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Vorrichtung 2 Tiegel

3 Tiegelmantel 4 Ofen

5 Heizelement 6 Heizelement 7 Heizelement 8 Abstand

9 Wärmediffusorelement 10 Abstand

11 Abstand

12 Reflektor

13 Heizelement

14 Isolierung

Claims (18)

Patentansprüche

1. Vorrichtung (1) zur Herstellung eines Einkristalls, insbesondere eines Saphir-Einkristalls, umfassend einen Tiegel (2) zur Aufnahme von zu schmelzendem Ausgangsmaterial, insbesondere Aluminium(Ill)-oxid, und zumindest ein erstes Heizelement (5), zur Erhitzung des Ausgangsmaterials, wobei zwischen dem ersten Heizelement (5) und dem Tiegel (2) ein Wärmediffusorelement (9) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmediffusorelement (9) eine netzartige oder gitterförmige oder filzartige Oberflächenstruktur oder eine Oberflächenrauigkeit Ra nach DIN EN ISO 4287:2010 zwischen 0,5 um und 50 um aufweist.

2, Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmediffusorelement (9) oberhalb des Tiegels (2) angeordnet ist.

3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmediffusorelement (9) am Heizelement (5) angeordnet ist.

4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmediffusorelement (9) durch Graphit gebildet ist oder Graphit umfasst.

5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maschenweite des netz- oder gitterförmigen Wärmediffusorelementes (9) zwischen 1 mm und 2 cm beträgt.

6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmediffusorelement (9) eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 1 W/(m.K) bei 20 °C aufweist.

7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zweites Heizelement (6, 7) und/oder ein zumindest ein Reflektor (12) angeordnet ist/sind.

8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Heizelement (5) und/oder das Wärmediffusorelement (9) höhenverstellbar ausgebildet ist/sind.

9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel (2) oben offen ist.

10. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Heizelemente (5-7) am Tiegel (2) anliegt.

11. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Tiegel (2) angeordnet sind.

12. Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmediffusorelement (9) oberhalb mehrerer oder sämtlicher Tiegel (2) angeordnet ist, oder dass jedem Tiegel (2) ein eigenes Wärmediffusorelement (9) zugeordnet ist.

13. Vorrichtung (1) nach einem Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Tiegeln (2) ein weiteres Heizelement (13) angeordnet ist.

14. Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Heizelement (13) höhenverstellbar ist.

15. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel (2) eine Isolierung (14) aus einem Graphit-Filz aufweist.

16. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiegel (2) eine Isolierung (14) aus einem Graphit-Filz aufweisen.

17. Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls, insbesondere eines Saphir-Einkristalls, wonach in zumindest einen Tiegel (2) ein Material eingefüllt wird, aus dem der Einkristall hergestellt wird, das Material dazu mit mindestens einem Heizelement (5-7, 13) aufgeschmolzen wird,

und zumindest ein Anteil der von dem Heizelement (5-7, 13) erzeugten thermischen Energie mit zumindest einem Wärmediffusorelement (9) verteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der thermischen Energie mit einem Wärmediffusorelement (9) durchgeführt wird, das eine netzartige oder gitterförmige oder filzartige Oberflächenstruktur oder eine Oberflächenrauigkeit Ra nach DIN EN ISO 4287:2010 zwischen 0,5 um und 50 um aufweist.

18. Verwendung eines Wärmediffusorelements (9), das eine netzartige oder gitterförmige oder filzartige Oberflächenstruktur oder eine Oberflächenrauigkeit Ra nach DIN EN ISO 4287:2010 zwischen 0,5 um und 50 um aufweist, in der Herstellung eines Einkristalls, insbesondere eines Saphir-Einkristalls.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen