DD257362A3

DD257362A3 - Anordnung zur ermittlung von den kristallisationsprozess charakterisierenden daten und/oder messgroessen

Info

Publication number: DD257362A3
Application number: DD24443682A
Authority: DD
Inventors: Ivo Senff; Pavel A Arsenev
Original assignee: Ivo Senff; Pavel A Arsenev
Priority date: 1982-11-01
Filing date: 1982-11-01
Publication date: 1988-06-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ermittlung von den Kristallisationsprozess charakterisierenden Daten und/oder Messgroessen bei der Kristallzuechtung aus Schmelzen mit bewegtem Keimkristall mit dem Ziel, den Kristallisationsprozess weitestgehend zu objektivieren und zu automatisieren. Aufgabe ist es, insbesondere bei der Hochtemperaturkristallzuechtung, die Lebensdauer thermisch stark beanspruchter Teile der Zuchtapparatur und der Impfkeimstange zu erhoehen und prozessrelevante, auswertbare Daten zur Streuerung und Regelung des Kristallisationsprozesses zu erhalten. Die Aufgabe wird bei einer Anordnung mit rotierender und axial bewegbarer Ziehspindel mit einem, eine Impfkeimstange tragenden Keimstangenhalter dadurch geloest, dass im Keimstangenhalter oder der Ziehspindel Strahlungsempfaenger und -sender, strahlungsleitende optische Elemente, Blenden- und Filteranordnungen vorgesehen sind. Die einkristalline Impfkeimstange besitzt eine strahlungsabsorbierende und selektiv strahlungsleitende Dotierungszone. Es sind zusaetzliche Detektoren vorgesehen, die weitere, den Kristallisationsprozess charakterisierende Parameter, z. B. das Gewicht des wachsenden Kristalls, messen. Ueber verschiedene Messkanaele simultan erhaltene Messwerte werden Auswerteschaltungen zugefuehrt, deren Ausgangssignale die Betaetigung der Steuereinrichtungen der Kristallzuchtanlage bewirken. Fig. 1

Description

Hierzu 7 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Ermittlung von den Kristallisationsprozeß charakterisierenden Daten und/ oder Meßgrößen bei Anlagen zur Züchtung von Einkristallen aus Schmelzen, Schmelzlösungen und Lösungen, vorzugsweise bei der Hochtemperaturzüchtung, mit bewegtem Keimkristall.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Unter Berücksichtigung der materialspezifischen Eigenschaften physikalischer und chemischer Verbindungen wurden für deren einkristalline Darstellung verschiedene Kristallzuchtverfahren und -einrichtungen entwickelt. So sind z. B. zur Züchtung von Einkristallen aus einer Schmelze des Kyropoulos-Verfahren (im wesentlichen bei Arbeitstemperaturen unter 1000⁰C angewendet) und das Czochralski-Verfahren (im allgemeinen für Kristallisationstemperaturen über 1000⁰C üblich) bekannt, bei denen ein im wesentlichen aus dem gleichen Material wie der zu züchtende Einkristall bestehender Keimkristall in eine, in einem geheizten Schmelztiegel befindliche, geringfügig überhitzte Schmelze eingebracht wird. Der Keimkristall ist an der Ziehspindel der Zuchtapparatur, üblicherweise mit Hilfe eines Keimhalters, kristallographisch orientiert befestigt und wird über die rotierende Ziehspindel in eine Drehbewegung versetzt. Dabei ist eine unkomplizierte, genaue, leicht lösbare und mechanisch schonende Befestigung des möglichst häufig verwendbaren Keimkristalls an der Stirnseite der Ziehspindel der Zuchtapparatur von großer Bedeutung. Gleichzeitig muß die Verbindungsstelle die stabile, reproduzierbare und kristallographisch genau orientierte Befestigung des Keimkristalls unabhängig von der Drehzahl der Ziehspindel und der Arbeitstemperatur gewährleisten. Die gleichzeitige Erfüllung aller dieser Forderungen wird durch die bisher praktizierten Varianten der Keimkristallausführung und-befestigung, insbesondere bei der Hochtemperaturzüchtung, nicht in befriedigender Weise erreicht. Außerdem ist eine gezielte Nutzung der optischen und bestimmter anderer Eigenschaften des verwendeten Keimkristalls zur Ermittlung von den Kristallisationsvorgang charakterisierenden, auswertbaren Meßwerten sowie deren Verwendung für die rationelle Optimierung der Züchtungstechnologie bisher nicht bekannt.

Bei dem weit verbreiteten Czochralski-Verfahren wird der rotierende Keimkristall nach erfolgtem Anschmelzvorgang in Abstimmung mit dem fortschreitenden Kristallwachstum zusätzlich in Richtung der Ziehspindelachse aus der Schmelze gezogen. Schmelztiegel und Ziehspindel mit daran befestigtem Keimkristall befinden sich in einer Zuchtatmosphäre, die im Innern eines gewöhnlich hermetisch gegenüber der Außenatmosphäre abgeschlossenen Behälters der Kristallzuchteinrichtung (Rezipienten) herrscht. Statt aus einer Schmelze können nach diesem Prinzip bestimmte Einkristalle auch aus einer Schmelzlösung oder Lösung gezüchtet werden. Dabei ist für die erfolgreiche Züchtung von Kristallen hoher Qualität, insbesondere der für den Einsatz als aktive oder passive optische Bauelemente oder in der Halbleitertechnik/Mikroelektronik vorgesehenen Einkristalle, nach den genannten Verfahren aus Schmelzen, Schmelzlösungen oder Lösungen neben der Erfüllung üblicher apparativer Voraussetzungen und der Berücksichtigung materialspezifischer Besonderheiten als verfahrenstechnische Voraussetzung in zunehmendem Maße die Anwendung geeigneter automatischer Kontroll- und Regelungsmethoden zur Überwachung und gezielten Beeinflussung des Kristallisationsprozesses über mindestens einen geschlossenen Regelkreis geboten. Aus wachstumskinetischen und regelungstechnischen Gründen ist es hierbei wünschenswert, möglichst frühzeitig relevante Informationen über den aktuellen Istzustand der Kristallisationszone (Bereich unmittelbar vor der Phasengrenze zwischen wachsendem Kristall und der flüssigen Phase) zu erhalten, wie z.B. über die Temperatur der Schmelze und deren räumliche Verteilung, die Form der Kristallwachstumsfront (Interface), die Gestalt des sich um den Kristall ausbildenden Meniskus und die momentane Massenwachstumsrate (pro Zeiteinheit kristallisierende Masse) sowie deren Tendenz, um auf der Basis dieser Informationen geeignete Stellgrößen bilden und damit steuernd und regelnd auf den Verlauf des Kristallisationsprozesses einwirken zu können. Es ist bekannt, daß zeitliche Änderungen der Form und räumlichen Lage der Wachstumsfront von lokalen Schwankungen der Massenwachstumsrate begleitet sind („Kristallografija" 24 [1979], vyp. 1, S. 192-194) und gewöhnlich eine Verschlechterung der Realstruktur bewirken. Diese Änderungen sind ihrerseits das Resultat von Temperaturschwankungen der flüssigen Phase nahe der Kristallisationsfront. Letztere widerspiegeln schließlich mehr oder

weniger starke Störungen des thermodynamischen Gleichgewichts in der Energiebilanz der in der Kristallisationszone vonstattengehenden thermischen Energieübertragungs- und Stofftransportprozesse sowie ihrer komplexen Wechselwirkungen und sind praktisch nie ganz zu vermeiden. Aus den genannten Gründen muß folglich eine der Verbesserung der Kristallperfektion dienende Automatisierung des Zuchtprozesses notwendigerweise auf die Stabilisierung der Wachstumsfront während der gesamten Zuchtdauer gerichtet sein. Im Sinne einer optimalen Stabilisierung des Kristallisationsprozesses wäre daher aus regelungstechnischen Gründen eine meßtechnische Ermittlung der jeweils aktuellen Temperaturverhältnisse wünschenswert, die in der vor der Kristallisationsfront befindlichen Diffusionsschicht bzw. in deren unmittelbarer Umgebung herrschen. In der Praxis stößt dies jedoch auf erhebliche Schwierigkeiten und es werden daher bei den bekannten Stabilisierungsmethoden und ihren Ausführungsvarianten ersatzweise die Werte sekundärer technologischer Parameter bestimmt, die nachteiligerweise den tatsächlichen Verlauf des Kristallisationsprozesses nur mit Einschränkungen widerspiegeln.

Die anschließende Charakteristik der bekannten technischen Lösungen beschreibt bekannte Arten der Keimkristallbefestigung bei der Züchtung von Einkristallen aus Schmelzen, Schmelzlösungen und Lösungen mit bewegtem Keimkristall sowie bei diesen Zuchtverfahren gebräuchliche Stabilisierungsmethoden zur automatischen Steuerung und Regelung des Wachstumsprozesses.

Nach dem Stand der Technik erfolgt die Befestigung des Keimkristalls an der Ziehspindel der Kristallzuchtapparatur durch Ankleben an einem Träger mit „hitzebeständigen Kitten" (Wasserglas) bzw. durch Einmörteln in ein als Zwischenstück wirkendes Keramikrohr mit Hochtemperaturmörtel („Methoden der Kristallzüchtung", VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1973, S. 582). Eine andere Methode besteht im Umwickeln des Keimkristalls mit Edelmetall-Drähten aus Platin, Iridium, Rhodium o. ä. hitzebeständigen Materialien („Journal of Applied Physics" 36 [1965], S. 1741; „Journal of Crystal Growth " 12 [1972], S. 120; „Journal of Crystal Growth" 15 [1972], S. 157). Auch die Aufhängung an einem Platin-Draht wurde bereits vorgeschlagen (DT-OS 2442517). Eine weitere bekannte Befestigungsvariante besteht im Zusammenquetschen eines Rohres aus Edelmetall am Ende der Ziehspindel, nachdem der Keimkristall eingeschoben worden ist („Journal of Crystal Growth" 15 [1972], S. 188; „Methoden der Kristallzüchtung", VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1973, S. 582). Dem Stand der Technik entsprechend wird auch die Befestigung des Keimkristalls in mit Edelmetalldraht umwickelten, dünnwandigen Rohren angewandt („Journal of Applied Physics" 33 [1962], S.3064; „Journal of Crystal Growth" 3,4 [1968], S. 295; „Journal of Crystal Growth" 10 [1971], S. 133; „Platin Metals Review" [1973], S.46). In manchen Fällen ist das Rohr zur Erhöhung der Wirksamkeit der Drahtumwicklung seitlich geschlitzt.

Zu den Nachteilen dieser Befestigungsarten zählt, daß die Befestigung des Keimkristalls mit relativ komplizierten manuellen Operationen verbunden ist, die eine hohe Geschicklichkeit des Bedienungspersonals erfordern.

Die genaue Orientierung des Keimkristalls ist problematisch und z.T. nicht mit der erforderlichen Qualität und Reproduzierbarkeit möglich. Beim Einspannen mittels Draht oder Einklemmen in Rohre ist auf Grund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten eine erhebliche mechanische Belastung des Keimkristalls nicht auszuschließen. Dies führt beim praktischen Einsatz häufig zum Bruch und damit zum Verlust des Keimkristalls einschließlich des bereits gewachsenen Einkristalls.

Bei eingeklebten bzw. eingemörtelten Keimkristallen besteht die Gefahr der selbständigen Lockerung während des Zuchtbetriebes, insbesondere beim Arbeiten mit sehr hochschmelzenden Verbindungen, bei denen das Bindemittel bereits nicht mehr fest genug ist und bei einem eventuellen Abtropfen die gesamte Schmelze durch Verunreinigung unbrauchbar macht. Insbesondere bei schwierig zu züchtenden und aus kostspieligem Material bestehen Kristallarten, bei denen die wiederholte Verwendung des Keimkristalls in besonderem Maße anzustreben ist, stellt das einen ernsten ökonomischen Verlust bzw. technischen Rückschlag dar. Auch die oftmalige Einsetzbarkeit der verwendeten Befestigungsdrähte und-rohre ist in der Praxis häufig nicht gegeben, da sie—insbesondere bei hohen Arbeitstemperaturen — bereits nach wenigen Einsätzen brüchig werden (z. B. Iridium) bzw. miteinander verschweißen und damit unbrauchbar sind.

Mit den gleichen Mangeln behaftet ist auch die Keimkristallbefestigung in Rohren mit Hilfe von Klemmschrauben (DWP 27705; „Zeitschrift für Physik" 84 [1933], S. 677; „Review of Scientific Instruments" 9 [1938], S. 322-324; „Einkristalle", Springer-Verlag Berlin-Göttingen-Heidelberg-München 1962, S.276/277, Abb. 190; „Methoden der Kristallzüchtung", VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1973, S. 563 und 582; „Solid State Technology", Januar 1974, S. 52-55) oder-stiften („Journal of Crystal Growth" 41 [1977], S.262-274, Abb.5).

Einem fortschrittlicheren Stand der Technik entsprechen die vorgeschlagenen Kristallbefestigungen, welche auf dem Prinzip des Spannfutters bzw. Klemmbackenfutters beruhen (ZS-PS 3446603; „Kristallografija" 4 [1959], S.261; „Improved Techniques for athe Growth of Single Crystals Suitable for Laser Applications", Arthur D. Little, Inc. Acorn Park, Cambridge, Mass., U.S.A., Dec. 1965,S.1-37,Abb,2; „Review of Scientific Instruments" 37 [1966], S.1094; DT-AS 1245317; „Methoden der Kristallzüchtung", VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1973, S.564imd 582). Jedoch besitztauch diese Art der Befestigung des Keimkristalls den Nachteil, daß letzterer in der Regel einen von den für die Spannfutter verwendeten Metallen abweichenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt. Um das Herausrutschen des Keimkristalls aus der Keimhalterung bei hohen Arbeitstemperaturen zu verhindern, muß daher der Keimkristall im kalten Zustand, d. h. zu Beginn des Zuchtprozesses, unter erheblicher Klemmwirkung im Keimhalter befestigt werden. Außerdem ist allen bisher beschriebenen Keimkristallbefestigungen der verfahrenstechnische Mangel eigen, daß es beim unvorhergesehenen Erstarren der Schmelze während des Zuchtprozesses, hervorgerufen z. B. durch Störungen im Energieversorgungsnetz oder plötzlich auftretende Defekte der Kristallzuchtapparatur, durch die in solchen Fällen weiterrotierende Ziehspindel zum Abscheren bzw. Bruch des mit ihr starr verbundenen und in der erstarrten Schmelze/Schmelzlösung festsitzenden Keimkristalls kommt. Zur Behebung dieser Nachteile ist bereits ein nicht klemmender Keimhalter aus Molybdän bekannt, der aus einer Hohlachse mit konischem Innenprofil und seitlichem Schlitz zum Einhängen eines Keimkristalls besteht („Journal of Crystal Growth" 22 [1974], S. 65). Trotz einer Reihe von Vorteilen dieser Keimbefestigung ist es für eine universelle Anwendbarkeit dieses Prinzips von Nachteil, daß es zur genauen Orientierung des eingehängten Keimkristalls notwendig ist, an seinem oberen Ende eine konische Orientierungsfläche anzuarbeiten, was mit zusätzlichem technischem Aufwand verbunden ist. Außerdem sind mit dieser Anordnung, insbesondere bei höheren Drehzahlen der Ziehspindel und bei der wiederholten Verwendung des Keimkristalls, pendelartige Ausschwingungen des Keimkristalls im Zuchtbetrieb nicht auszuschließen. Diese potentielle Instabilität der Befestigung stellt die genaue und reproduzierbare Orientierung des Keimkristalls in Frage und kann wiederum nur durch den Nachteil einer erhöhten mechanischen Belastung, z. B. durch Einlegen einer Springfeder oder Auflegen eines Gewichtes, behoben werden.

Weiterhin sind in der Kristallzüchtung die in der Technik vielfältig verwendeten Bajonettverbindungen eingesetzt worden, jedoch lediglich zur Verbindung von zwei Teilen der Ziehspindel einer Kristallzuchtapparatur und nicht zur eigentlichen Befestigung des Keimkristalls an der Ziehspindel („Rostkristallov" 1 [1956], S. 262; „Nature" (London) 181 [1958], S.4603; „Kristallzüchtung", VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1963, S.286).

Eine weiterentwickelte Keimkristallhalterung (DD-PS 193516) besteht aus einer nach dem Bajonettprinzip an einer zwischen Keimkristall und Ziehspindel angeordneten Keimhalterstange festziehbaren, beiderseits offenen Hülse aus hochtemperaturbeständigem Edelmetall mit einem der Schmelze zugewandten, nach innen umgebördelten Rand als Auflagefläche für eine in die Hülse eingelegte, geschlitzte Ringscheibe aus ebenfalls hochtemperaturbeständigem Edelmetall. Von dieser geschlitzten Ringscheibe soll der Keimkristall in einer ringförmigen, in ihm exakt parallel zu seiner als . Orientierungsfläche dienenden oberen Stirnfläche verlaufenden Nut klemm- und spannungsfrei getragen werden. Außer der Gewährleistung einer kristailographisch genau und reproduzierbar orientierten, stabilen Lage des Keimkristalls unabhängig von der Drehzahl der Ziehspindel und der Arbeitstemperatur soll diese Kristallhalterung eine leichte Aüswechselbarkeit des Keimkristalls ermöglichen und gleichzeitig im Sinne einer Rutschkupplung zwischen Keimkristall und Keimhalterstange wirken. Die mit dieser Keimkristallhalterung angestrebten Einsatzvorteile werden jedoch bei der Herstellung von Einkristallen aus der Schmelze mit bewegtem Keimkristall, vor allem bei der Hochtemperaturzüchtung, insbesondere deshalb nicht im genannten Umfang praxiswirksam, da die Verbindungsstelle zwischen Keimkristall und der eingesetzten Keimhalterstange während des Zuchtvorganges einer sehr starken thermischen Belastung ausgesetzt ist. Dies führt z. B. zu Verschweißerscheinungen zwischen den metallischen Einzelteilen des genannten Keimkristallhalters, so daß sich dessen Komponenten nach Abschluß des Züchtungsprozesses häufig nicht zerstörungsfrei und ohne Beschädigung des Keimkristalls demontieren lassen, was die oftmalige Verwendbarkeit des Keimkristalls und/oder seiner Halterung stark einschränkt.

Dem Stand der Technik entsprechend werden bei der Züchtung von Einkristallen aus Schmelzen, Schmelzlösungen und Lösungen mjt bewegtem Keimkristall üblicherweise folgende Stabilisierungsmethoden zur automatischen Steuerung und Regelung des Kristallwachstumsprozesses angewendet, die sich bezüglich der physikalischen Natur des kontrollierten technologischen Parameters und deren meßtechnischer Realisierung unterscheiden:

1. Temperaturmessung direkt in der Kristallisationszone mittels dort positioniertem Thermoelement;

2. Kontrolle der Schmelztiegeltemperatur;

3. Optische Abtastung des wachsenden Kristalls mit Hilfe eines Fernsehsystems;

4. Abbildung des wachsenden Kristalls mit Röntgen- oder Gammastrahlen;

5. Pyrometrische Überwachung des Meniskusgebietes;

6. Meniskuskontrolle mittels aktiver optischer Verfahren;

7. Messung der Schmelzniveauabsenkung im Tiegel;

8. Gravimetrische Kristalldurchmesserregelung (Gewichtsmethode).

Aus „Journal of Materials Science" 11 (1976), S.259-263 ist die Bestimmung der in der Kristallisationszone herrschenden Temperatur mit Hilfe eines in der Nähe der Interface in der Schmelze positionierten Thermoelementes bekannt, wobei jedoch der registrierte Temperaturverlauf nur als zusätzlicher Meßwert dient, nicht aber als Istwert für das auf einem anderen Prinzip beruhende automatische Regelsystem zur Steuerung des Wachstumsprozesses herangezogen wird. Hierbei bereitet die während der Dauer des gesamten Zuchtprozesses erforderliche exakte Positionierung des Thermoelementes in der Schmelze in definiertem Abstand vor der Phasengrenzfläche Schwierigkeiten. Nachteilig ist dabei ferner, daß der Temperaturdetektor selbst zu einer potentiellen Störungsquelle für den Wachstumsprozeß wird und durch seine Anwesenheit das Auftreten zusätzlicher Kristalldefekte induziert, z. B. infolge Veränderung des Temperaturprofils sowie einer vom Thermoelement ausgehenden Störung des Konvektionsverhaltens der Schmelze in der Nähe der Phasengrenze. Schließlich sind Schmelzverunreinigungen durch unerwünschte chemische Reaktionen des Thermoelementmaterials mit der Schmelze („Journal of Scientific Instruments" 41 [1964], S. 676-678], vor allem bei der Hochtemperaturzüchtung („Berichte der Deutschen Keramischen Gesellschaft" [1963], S.615-619), nicht auszuschließen.

Eine andere Stabilisierungsmethode beruht auf der Ermittlung der Temperatur des Schmelztiegels, die seitlich oder am Boden desselben von außen durch die Tiegeleinbettung hindurch mittels Thermoelementen oder pyrometrisch erfolgt („Journal of Applied Physics" 31 [1960], S. 1508; „Journal of Applied Physics" 33 [1962], S. 1893; „Journal of the American Ceramic Society" 45 [1962], S. 474-478; „Improved Techniques forthe Growth of Single Crystals Suitablefor Laser Applications"—Arthur D. Little Inc. [Dec. 1965], S. 1-37; US-PS 3865554; „Journal of Crystal Growth" 38 [1977], S.206-212). Die Regelung des Zuchtprozesses erfolgt dabei über eine Steuerung der Schmelztiegeltemperatur nach vorgegebenem Programm.

Von Nachteil ist bei diesem Verfahren die Tatsache, daß mit zunehmender Entfernung der Temperaturmeßstelle von der Kristallisationszone (d. h. beim Einsatz großer Schmelztiegel zwecks Erhöhung der erreichbaren Kristallabmessungen) sowohl eine wachsende zeitliche Verschiebung zwischen dem Auftreten einer Temperaturänderung vor der Interface und ihrer meßtechnischen Erfassung als auch eine Abnahme der erreichbaren Nachweisempfindlichkeit zu verzeichnen ist, wodurch das Regelverhalten des betreffenden Stabilisierungssystems verschlechtert wird. Dieser unerwünschte Effekt wirkt sich mit zunehmender Chargengröße immer störender aus, indem er eine rechtzeitige und phasenrichtige Beeinflussung des Kristallisationsprozesses erschwert oder schließlich ganz verhindert, da das erhaltene Meßsignal dabei außerdem einen verringerten Signal/Rausch-Abstand aufweist und bei zunehmenden Schmelztiegelabmessungen immer schlechter mit dem tatsächlichen Temperaturgang nahe der Phasengrenze korreliert. Abgesehen von systematischen Meßfehlern, die bei der pyrometrischen Temperaturbestimmung des anvisierten Gebietes der Außenwand des Schmelztiegels infolge ungenügender Berücksichtigung der spektralen Strahlungseigenschaften der verwendeten Tiegel-, Abschirmungs- und Fenstermaterialien auftreten können („Applied Optics" 3 [1964], S.281-285; „Izlucatel'nye svoijstva tverdych materialov — Spravocnik", Izd-vo Energija, Moskva 1974/russ.), ist bei der Anwendung dieser Methode zur Stabilisierung des Zuchtprozesses zu berücksichtigen, daß sich, z.B. beim Czochralski-Verfahren, die Relation zwischen dem an der Schmelztiegelwand/-boden gemessenen Temperaturverlauf und der nahe der Kristallisationszone herrschenden, den Wachstumsprozeß im wesentlichen bestimmenden Bedingungen (wie z. B. Form der Schmelzisothermen, Betrag der axialen und radialen Temperaturgradienten nahe der Wachstumsfront u.a.m.) mit fortschreitendem Zuchtprozeß beträchtlich ändern kann. Aus diesem Grunde besitzt der zur Herstellung von regelmäßig geformten Einkristallen hoher Qualität erforderliche optimale Verlauf des Schmelztiegel-Temperaturprogramms eine relativ komplizierte Gestalt. Dieses Temperaturprogramm muß gewöhnlich für jeden Kristalltyp je

nach gewünschter Kristallabmessung und verwendetem Zuchtaufbau sch rittweise auf empirischem Wege neu ermittelt werden. Sein Verlauf ist in sehr starkem Maße von den realen Ausgangsbedingungen, wie z. B. vom Tiegelfüllungsgrad, abhängig und reagiert bereits auf geringe Toleranzen des Zuchtaufbaus sehr empfindlich, wodurch die Reproduzierbarkeit des Zuchtprozesses wesentlich beeinträchtigt wird.

Es werden weiterhin optische Kontrollmethoden zur Abtastung des wachsenden Einkristalls mittels spezieller Fernsehsysteme angewendet („Journal of Crystal Growth" 13,14 [1972], S.619-628; „Journal of the Electrochemical Society/Solid-State Science and Technology" 120 [1973], S. 1272-1275; „Optik" 37 [1973], S. 15-20; „Kristall und Technik" 8 [1973], S. 1233-1242). Dabei wird der Kontrast zwischen der Abbildung des bereits gewachsenen Kristallabschnitts und dem Gebiet des Schmelzmeniskus ausgenutzt. Beim Einsatz einer geeigneten elektronischen Auswertung des erhaltenen Videosignals ist — in Abhängigkeit von der substanzspezifischen Strahlungs- und Transmissionseigenschaften der gezüchteten Kristalle und ihrer Schmelzen — in bestimmten Fällen eine Relativmessung der Temperatur oberflächennaher Bereiche der Schmelze sowie des wachsenden Einkristalls möglich. Wegen der schlechten Zugänglichkeit des Meniskusgebietes werden bei diesem Verfahren z.T. Spiegelsysteme im Rezipienten eingesetzt, die während des Zuchtprozesses beschlagen, was zu einer starken Verringerung des Signal/Rausch-Verhältnisses führt. Nachteilig wirkt sich bei der Anwendung dieser relativ aufwendigen Stabilisierungsmethode weiterhin die Tatsache aus, daß im Vergleich zu anderen Kontrollverfahren größere Schmelztiegel Verwendung finden müssen, um die Verschlechterung der Sichtverhältnisse durch das Absinken des Schmelzspiegelniveaus im Tiegel mit fortschreitendem Wachstumsprozeß in Grenzen zu halten. Als besonders schwerwiegender technisch-ökonomischer Nachteil fällt dies vor allem bei der Hochtemperaturzüchtung ins Gewicht, da besonders bei hohen Arbeitstemperaturen zwecks Verhinderung schädlicher Reaktionen der Schmelze mit dem Material des Schmelztiegels dieser häufig aus dem kostspieligen und schwierig zu bearbeitenden Iridium bestehen muß.

Bei einer anderen Methode zur automatischen Wachstumskontrolle des aus der Schmelze gezogenen Einkristalle wird der bereits gewachsene Kristallabschnitt unmittelbar über dem Meniskusbereich einer seitlich einfallenden, kollimierten, die Tiegelein bettung und die Schmelztiegelwand durchdringenden Röntgenstrahlung ausgesetzt, deren räumliche Intensitätsverteilung nach Durchquerung der heißen Zone mit einem geeigneten Strahlungsdetektor (z. B. Geiger- oder Szintillationszähler oder Wiedergabe auf einem Fluoreszenzschirm) ausgewertet wird, welcher in gleicher Höhe wie die Strahlungsquelle auf der ihr gegenüberliegenden Seite des Zuchtaufbaus angeordnet ist (Nederlands Patent 6512921; US-PS 3499736; GB-PS 1154240; „Journal of Crystal Growth" 3,4(1968), S. 286-290; „Acta Electronica" 17 (1974), S.45-55; „Journal of the Electrochemical Society" 121 (1974), S. 822-826; „Journal of Crystal Growth" 21 (1974), S.310-312; „Journal of Crystal Growth" 40 (1977), S.6-12). Auch Gammastrahlungsquellen finden bei dieser Methode Verwendung („Pribory i sistemy upravlenija'Vruss. 1967, Nr.2, S.4-6). Zur Kontrasterhöhung der Abbildung des wachsenden Kristalls sind gewöhnlich zusätzliche Filter im Strahlengang erforderlich, während ein spezieller Tiegelhubmechanismus die Schmelzspiegelabsenkung während des Zuchtprozesses kompensiert. Das nach diesem Verfahren gewonnene Fehlersignal ist proportional der Abweichung des aktuellen Wertes des Kristalldurchmessers vom Sollwert. Nachteilig ist insbesondere die eingeschränkte praktische Anwendbarkeit dieser Stabilisierungsmethode, welche nur bei der Herstellung solcher Medien benutzt werden kann, bei denen das erforderliche Schmelztiegelmaterial für die betreffende Strahlungsart ausreichend durchlässig ist und der wachsende Einkristall gleichzeitig ein für diese Strahlung genügend hohes Absorptionsvermögen aufweist, damit ein für die Signalauswertung ausreichender Kontrast der Schattenabbildung des überwachten Meniskusgebietes gegenüber der Umgebung erzielt werden kann. Diese Bedingungen sind gewöhnlich bei der Züchtung von Halbleiterkristallen aus nichtmetallischen Schmelztiegeln erfüllbar, jedoch nicht bei der Herstellung von Einkristallen hochschmelzender oxydischer Verbindungen, die z. B. für den Einsatz in der Lasertechnik von großer Bedeutung sind. Schließlich sind für die gefahrlose Anwendung dieses Stabilisierungsverfahrens zusätzlich entsprechende Strahlenschutzmaßnahmen zu gewährleisten. Bekannt ist auch die Detektierung der vom Meniskusgebiet ausgehenden Strahlung, wozu dieses über spezielle optische Systeme von schräg oben durch entsprechende Öffnungen in der thermischen Abschirmung des Zuchtaufbaus anvisiert wird (DE-OS 1 619954; DE-AS 1 619967; US-PS 3337303; GB-PS 1 209580; US-PS 3493770; DE-OS 2143553; „DENKI KAGAKU" 40 [1972], S. 521). Die vom Meniskusgebiet selbst ausgehende Strahlung bzw. der an der Meniskusoberfläche in Detektorrichtung reflektierte Anteil der von der heißen Tiegelinnenseite ausgehenden Strahlung („Journal of Crystal Growth" 29 [1975], S. 326-328) wird pyrometrisch gemessen und die radiale/azimutale Intensitätsverteilung analysiert. Obwohl sich diese Methode zur Steuerung des Kristallisationsprozesses, insbesondere bei der Züchtung von Halbleitereinkristallen, als vorteilhaft erwiesen hat („Semiconductor Products and Solid State Technology" October 1970, S.25-30; „Solid State Technology", October 1971, S.41-45, 58; „DENKI KAGAKU" 40 (1972), S.521; „Solid State Technology", Februar 1974, S.33-36, 55), sind die damit erhaltenen Meßwerte jedoch nicht unbeeinflußt von der Zuchtatmosphäre. Da das Meniskusgebiet von außen anvisiert werden muß, sind dabei Verletzungen der thermischen Symmetrie in der Kristallisationszone sowie eine Sichtverschlechterung mit fortschreitendem Zuchtvorgang infolge Schmelzspiegelabsenkung und Beschlagbildung auf den verwendeten optischen Systemen nicht vollständig auszuschließen. Eine unmittelbare meßtechnische Zugänglichkeit der Kristallisationsfront ist auch bei diesem Verfahren nicht gegeben, sondern es beruht auf der gezielten Ausnutzung der stoffspezifischen (Halbleiter!) starken Änderung des Winkels der maximalen Strahlungsemission schon bei geringer Änderung der Meniskusform. Problematisch ist weiterhin die erhebliche Unsicherheit der Meßsignalauswertung bei der Wachstumskontrolle von Kristallen, die keine rotationssymmetrische Gestalt besitzen, was beim Wachsen orientierter Einkristalle häufig der Fall ist.

Dem Stand der Technik entsprechend werden auch Verfahren der Meniskusformüberwachung mittels aktiver optischer Methoden angewendet (US-PS 3291 650; „Journal of Crystal Growth" 15 [1972], S. 85-88; „Internationale Elektronische Rundschau" 1974, Nr.5, S.91-94; „Acta Electronica" 17 (1974), S.45-55). Dabei wird von außen ein gebündelter Lichtstrahl auf ein geeignetes Meniskusgebiet gerichtet, wobei als externe Strahlungsquelle vorteilhaft ein Laser eingesetzt wird. Aus der an der Meniskusoberfläche reflektierten Strahlung, insbesondere aus der Größe des Reflexionswinkels, lassen sich prozeßrelevante Informationen über die Dynamik des Wachstumsvorganges ableiten, die prinzipiell zur automatischen Steuerung des Zuchtprozesses geeignet sind. Dies beruht darauf, daß bei der Kristallzucht nach dem Czochralski-Verfahren ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Durchmesser des wachsenden Kristalles im Meniskusgebiet und dersich ausbildenden Form der Schmelzoberfläche besteht („Journal of Crystal Growth" 15 [1972], S. 85-88). Diese aktive Methode ist zwar im Vergleich zu den genannten passiven Methoden der pyrometrischen Meniskusüberwachung weniger von den stoffspezifischen Emissionseigenschaften der betreffenden Schmelze/Schmelzlösung abhängig, ist aber ansonsten prinzipiell mit denselben Nachteilen behaftet, die allen vergleichbaren optischen Kontrollverfahren eigen sind, bei denen der Meßkanal seitlich von der Ziehachse oder schräg durch die thermischen Abschirmungsbauteile des Tiegelaufbaus verläuft und/oder durch die Zuchtatmosphäre beeinträchtigt wird.

Ein weiteres Verfahren zur Kontrolle des Kristallwachstumsprozesses beruht auf einer indirekten Bestimmung der Massenwachstumsrate über die Messung der zeitlichen Änderung des Schmelzvolumens. Bekannte meßtechnische Varianten dieser integralen Methode führen die Schmelzvolumenbestimmung auf eine Messung der Schmelzspiegelabsenkung während des Zuchtprozesses zurück. Diese Detektierung erfolgt z. B. unter Ausnutzung der elektrischen Leitfähigkeit von Schmelze und Schmelztiegel über die abwechselnde Schließung und Öffnung eines elektrischen Stromkreises durch eine seitlich des wachsenden Einkristalles intermittierend von oben in die Schmelze eingetauchte metallische Elektrode, wobei jeweils während des Eintauchvorganges die vertikale Position der Kontaktelektrode bei Berührung des Schmelzspiegels als Kriterium für das aktuelle Schmelzniveau herangezogen wird (Perner, Stransky „Einige Besonderheiten der Automatisierung des Zuchtprozesses von Rubineinkristallen" /russ./ — Thesen des II. RGW-Symposiums über Automatisierung des Kristallzuchtprozesses, Prag, 29.11.1978). Nachteilig wirkt sich bei dieser Methode die nicht auszuschließende Schmelzverunreinigung durch das Elektrodenmaterial sowie die durch die Elektrode gestörte Symmetrie des Temperaturfeldes in der heißen Zone des Zuchtaufbaus aus. Die praktisch unvermeidliche Elektrodenkorrosion begrenzt die theoretisch mögliche hohe Meßgenauigkeit dieses integralen Meßverfahrens, bei dessen Anwendung allerdings keine direkten Informationen über die Form der Kristallisationsfront erhalten werden. Eine andere Variante zur Bestimmung der Schmelzspiegelabsenkung beruht auf der Auswertung der Änderung des elektrischen Widerstandes der zwischen bereits gewachsenem Kristall und der Wand des Schmelztiegels befindlichen Schmelze (DE-OS 2635093). Da der Meßstromkreis durch die Reihenschaltung der elektrischen Widerstände von Keimkristall, bereits gewachsenem Kristallabschnitt und der verbliebenen Schmelze gebildet wird, ist damit die Anwendbarkeit dieses Verfahrens praktisch auf die Züchtung von Halbleitereinkristallen beschränkt. Nach dem Stand der Technik ist auch eine kontaktlose interferometrische Messung der Schmelzspiegelabsenkung bekannt, bei der die Strecke zwischen einem Strahlenteiler und der Schmelzoberfläche Teil eines Michelson-Zweistrahl-Interferometers ist (DE-AS 2337169). Die Schmelzabsenkung wird dabei in Einheiten der verwendeten Lichtwellenlänge gemessen und zur Regelung der Ziehparameter herangezogen. Als Lichtquelle findet ein Laser Verwendung. Nachteilig ist bei dieser Anordnung vor allem deren große Empfindlichkeit gegenüber praktisch stets vorhandenen Vibrationen der Zuchtapparatur und durch Konvektionserscheinungen bedingten lokalen Bewegungen der Schmelzoberfläche, was zumindest eine sehr aufwendige Signalauswertung erfordert.

Eine ebenfalls bekannte Methode zur Stabilisierung des Kristallwachstumsprozesses beruht auf der gravimetrischen Kristalldurchmesserregelung (Gewichtsmethode). Dabei wird mit Hilfe eines oder mehrerer Gewichtsdetektoren der zeitliche Verlauf des Gewichtes des wachsenden Kristalls und/oder der Schmelze einschließlich des Schmelzmeniskusbereiches erfaßt. Die gebräuchlichen Varianten dieses Verfahrens unterscheiden sich hinsichtlich der Art der Detektoranordnung:

a) Registrierung des Gewichtes des wachsenden Kristalls, wobei sich der Gewichtsdetektor an oder in der Ziehspindel befindet (US-PS 2908004, DE-AS 1245317, DE-OS 1 519898, „Journal of Materials Science" 2 (1967, S.297-299; „Journal of Crystal Growth" 3,4 (1968), S.471-474; DE-OS 2208758; „Journal of Crystal Growth" 13,14(1972), S. 555-559; „Journal of Crystal Growth" 16 (1972), S. 277-279; „Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers'VJapan (1973), S. 595-600; DE-OS 2345048; US-PS 39349832; „Journal of Crystal Growth" 21 (1974), S. 283-286; GB-PS 1478192; DE-OS 2446293; „Pribory isistemy upravlenija" /russ. (1975) Nr.5, S.7-9; „Journal of Crystal Growth" 29 (1975), S.321-325; „Journal of Crystal Growth" 40 (1977), S. 13-28; „Journal of Crystal Growth" 42 (1977), S.473-482; Senff, I., Arsenev, P.A.: Vortragsthesen II. RGW-Kristallzucht-Automatisierungskolloquium, Prag, 29.11.1978);

b) Registrierung des zeitlichen Verlaufs des Gewichtes der im Tiegel befindlichen Schmelze, wobei der Gewichtsdetektor unterhalb des Tiegelaufbaus innerhalb oder außerhalb des Rezipienten angeordnet ist (US-PS 2908004; US-PS 3259467; DE-OS 1519898; „Journal of Crystal Growth" 19 (1973), S. 187-192; „Materials Research Bulletin" 8(1973), S.443-450; „Bell Laboratories Record" 51 (1973), S. 30; „Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers'VJapan (1973),

S. 595-600; „Acta Electronica" 17 (1974), S.45-55; GB-PS 1465191; „Journal of Crystal Growth" 24,25 (1974), S.369-373, 432-436; „Journal of Crystal Growth" 26 (1974), S. 1-5; „Materials Research Bulletin" 10 (1975), S.9-14,701-707; DE-OS 2513923; CH-PS 580805; „FUJITSU Scientific and Technical Journal "/Japan 12(1976) Nr. 1, S. 93-113; „Journal of Crystal Growth" 38 (1977), S. 206-212; „Journal of Crystal Growth" 40 (1977), S. 13-28; „Journal of Crystal Growth" 41 (1977), S. 262-274; „Journal of Crystal Growth" 42 (1977), S.473-482; Preprint FlAN Nr. 148, Moskva, 28.7.1978; KFKI-Report 1979— 16, Budapest 1979).

Weiterhin bestehen Unterschiede in der konstruktiven Ausführung des Kraftmeßgliedes, in der Meßsignalverarbeitung (analog/ digital) sowie bezüglich der kontrollierten Regelgröße (absoluter—d.h. integraler—Gewichtswert bzw. Massenwachstumsrate als dessen zeitliche Ableitung).

Nach entsprechender Signalauswertung werden auf der Basis des jeweils aktuellen Wertes des Gewichts und/oder der Massenwachstumsrate, welcher bei dieser Methode als für den tatsächlichen Verlauf des Kristallisationsprozesses relevanter Parameter herangezogen wird, geeignete Steuersignale gebildet, die über Regel- und Steuereinrichtungen der Kristallzuchtapparatur den Zuchtprozeß im Sinne einer automatischen Stabilisierung der Wachstumsbedingungen beeinflussen.

Trotz zahlreicher Einsatzvorteile dieser Methode erhält man bei ihrer alleinigen Anwendung keine direkten Informationen über Form und Dynamik der Kristallisationsfront. Da sich der erhaltene Gewichtswert von einer integralen Meßgröße ableitet, deren Betrag voraussetzungsgemäß den realen Wachstumsprozeß nur dann richtig widerspiegelt, wenn die Form der Kristallisatonsfront während des fortschreitenden Kristallwachstumsprozesses praktisch unverändert bleibt, führt die alleinige Anwendung der gravimetrischen Kristalldurchmesserregelung in der Praxis insbesondere dann zu unbefriedigenden Ergebnissen, wenn im Laufe des Zuchtprozesses — z.B. infolge hydrodynamischer Wechselwirkung in der Schmelze — strömungsinduzierte Phasengrenzeninstabilitäten auftreten. Letztere können von einem allein auf gravimetrischer Basis beruhenden Regelungssystem zumindest nicht rechtzeitig als solche erkannt werden und führen zu einer Fehlinterpretation des tatsächlichen Verlaufs des Kristallisationsprozesses durch das Stabilisierungssystem und damit zu Fehlregulierungen mit allen damit verbundenen negativen Auswirkungen auf die Kristallperfektion. Besonders deutlich tritt dieser prinzipielle Mangel der Gewichtsmethode beim Auftreten eines Interfaceumschlages während des Zuchtprozesses in Erscheinung, der sich makroskopisch als sprunghafte Durchmesseränderung des wachsenden Kristalls mit den damit verbundenen Störungen der Realstruktur manifestiert („Materials Research Bulletin" 10 [1975] S.701-707, „Journal of Materials Science" 11 [1976] S. 259-263, „Journal of Crystal Growth" 32 [1976] S. 89-94, „Materials Research Bulletin" 13 [1978] S. 675-680).

Ziel der Erfindung

Es ist Zweck der Erfindung, die beschriebenen Nachteile und Mängel des Standes der Technik zu beseitigen, den Kristallisationsprozeß bei der Kristallzüchtung aus Schmelzen, Schmelzlösungen und Lösungen mit bewegtem Keimkristall weitestgehend zu objektivieren und den Züchtungsablauf zu automatisieren, die Qualität der erzeugten Kristalle zu erhöhen, die Arbeitsproduktivität zu steigern und damit insgesamt die Ökonomie des Züchtungsprozesses bei der Einkristallherstellung zu verbessern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Anlagen zur Züchtung von Einkristallen aus Schmelzen, Schmelzlösungen oder Lösungen mit bewegtem Keimkristall durch besondere Ausgestaltung und Dimensionierung eines Keimstangenhalters und einer mit ihm verbundenen Impfkeimstange, insbesondere durch Vermeiden einer „heißen" Verbindungsstelle zwischen Keimkristall und Keimhalterung, eine Möglichkeit für die stabile und reproduzierbare Befestigung einer auswechselbaren Keimkristallstange an der Ziehspindel der Zuchtapparatur zu schaffen und während des Zuchtvorganges den unmittelbaren Kristallisationsvorgang an der Wachstumsfront (Interface) sowie weitere prozeßrelevante Parameter charakterisierende und auswertbare Daten und Meßgrößen zu erhalten, die zur automatischen Steuerung des Kristallwachstumsprozesses, einschließlich der Anwendung adaptiver Regelsysteme, geeignet sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Anordnung zur Ermittlung von den Kristallisationsprozeß charakterisierenden Daten und/oder Meßgrößen bei Anlagen zur Kristallzüchtung aus Schmelzen, Schmelzlösungen oder Lösungen mit einer rotierenden und axial bewegbaren Ziehspindel mit Keimstangenhalter dadurch gelöst, daß eine einen Keimkristall definierter kristallographischer Orientierung darstellende, unabhängig von der Drehzahl der justierten Ziehspindel und der Arbeitstemperatur stabile, reproduzierbare und leicht auswechselbare, einkristalline Impfkeimstange von hoher optischer Qualität vorgesehen ist, daß im Innern des Keimstangenhalters oder der Ziehspindel, vorzugsweise in der Achse derselben, mindestens ein die von der Kristallisationszone und ihrer unmittelbaren Umgebung ausgehende thermische Strahlung und durch sie hindurchtretende, aus dem Schmelzvolumen sowie Bereichen derTiegelinnenwand stammende Hintergrundstrahlung detektierender Strahlungsempfänger und/oder Fremdstrahlung einer vorzugsweise in dem Keimstangenhalter oder in der Ziehspindel angeordneten thermischen oder nichtthermischen optischen Strahlungsquelle auf die Wachstumsfront richtende und von dieser reflektierte Strahlung auf diese Strahlungsempfänger leitende optische Elemente sowie Blenden- und Filteranordnungen vorgesehen sind, daß vorzugsweise mindestens ein zusätzlicher, einen oder mehrere weitere, den aktuellen Zustand des Kristallisationsprozesses charakterisierende Parameter messender Detektor im Inneren des Keimstangenhalters oder der Ziehspindel angeordnet ist.

Daß die Impfkeimstange entlang ihrer Längserstreckung mindestens einen undotierten und einen dotierten Bereich umfaßt, wobei der dotierte Bereich sowohl Wärmestrahlung absorbierende Eigenschaften für mindestens einen bestimmten, vom Spektrum des von der absoluten Temperatur der Kristallisationszone abhängigen und dem dieser Temperatur entsprechenden Strahlungsmaximum angepaßten Spektralbereich aufweist und gleichzeitig in geeigneten Spektralbereichen einen selektiven Strahlungsleiter darstellt.

Dabei ist es vor allem zwecks Verhinderung einer unerwünschten Verunreinigung der Schmelze durch die im dotierten Bereich der Impfkeimstange enthaltenen Dotierungselemente vorteilhaft, daß der dotierte Bereich in dem dem Keimstangenhalter benachbarten — d. h. der Schmelze abgewandten — Teil der Impfkeimstange vorgesehen ist. Zur Erzielung des gewünschten Absorbtionsverhaltens der einkristallinen Impfkeimstange ist es zweckmäßig, daß deren dotierter Bereich als Dotierung Ionen mindestens eines der Elemente Dysprosium, Holmium, Erbium oder Thulium enthält.

Für die Ermittlung von den Kristallisationsprozeß charakterisierenden Meßgrößen ist es insbesondere bei der Hochtemperaturzüchtung vorteilhaft, daß der dotierte Bereich der Impfkeimstange in für Farbtemperaturmessungen (Quotientenpyrometer) geeigneten schmalbandigen Spektralbereichen, vorzugsweise im Bereich von 1 000 bis 3000nm, strahlungsdurchlässig ist.

Vor allem im Sinne einer weitgehenden Verhinderung der Wärmeabfuhr aus der Kristallisationszone durch die Impfkeimstange ins Innere des Keimstangenhalters ist es zweckmäßig, daß die Dotierungskonzentration in Abhängigkeit von der Länge des dotierten Bereichesund von dem für den Einbau der betreffenden Ionen wirksamen Verteilungskoeffizienten 2 bis 20 Mol. -% beträgt und daß an der Impfkeimstange wärmeabschirmende und/oder wärmeabführende Elemente vorgesehen sind. Die Registrierung der während des Zuchtprozesses von der Kristallisationszone und ihrer unmittelbaren Umgebung ausgehenden sowie der durch sie hindurchtretenden, aus dem Schmelzvolumen sowie Bereichen der Tiegelinnenwand stammenden Hintergrundstrahlung mit Hilfe einer auf dem Teilstrahlungsmeßprinzip beruhenden Pyrometeranordnung wird vorteilhaft dadurch erreicht, daß nur ein Strahlungsdetektor in der Achse des Keimstangenhalters oder der Ziehspindel angeordnet ist und daß sich zwischen diesem Strahlungsdetektor und der Impfkeimstange ein schmalbandiges Interferenzfilter befindet, dessen nominelles spektrales Durchlässigkeitsmaximum auf einen, von den verwendeten Dotierungselementen beeinflußten Spektralbereich abgestimmt ist, in dem die dotierte Impfkeimstange einen selektiven Strahlungsteiler darstellt, wobei dem schmalbandigen Interferenzfilter im Strahlengang ein breitbandiges Ordnungsfilter zusätzlich vorgeschaltet sein kann.

Eine weitere Verbesserung des erreichbaren Temperaturauflösungsvermögens bei gleichzeitiger Verminderung des verfälschenden Einflusses von Drifterscheinungen, hervorgerufen insbesondere durch nicht vollständig ausschließbare thermische Einflüsse auf die eingesetzten Strahlungsdetektoren, wird zweckmäßigerweise dadurch erreicht, daß als Strahlungsempfänger vorzugsweise Si-Photoelemente in einer Verhältnispyrometeranordnung (Quotientenpyrometer) eingesetzt werden, bei der die ermittelten Temperaturwerte aus dem Verhältnis der Strahlungsdichten in mindestens zwei Spektraibereichen bestimmt werden. Vorteilhaft wird in der Verhältnispyrometeranordnung nur ein einzelner Strahlungsempfänger eingesetzt, der im Meßstrahlengang fest angeordnet ist und der aus der Kristallisationszone durch den wachsenden Kristall und die Impfkeimstange in für Farbtemperaturmessungen geeigneten, durch das Absorptionsverhalten der im dotierten Bereich der Impfkeimstange befindlichen Seltenerdionen festgelegten, schmalbandigen Spektralbereichen auf ihn gelangenden Strahlung in alternierender Folge ausgesetzt wird. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß zwischen der Impfkeimstange und den in der Achse des Keimstangenhalters oder der Ziehspindel befindlichen Strahlungsdetektoren ein durch die Ziehspindel angetriebenes, in einer senkrecht zur Spindelachse liegenden Ebene rotierendealnterferenzfilter mit mindestens zwei Sektoren unterschiedlicher spektraler Durchlässigkeit angeordnet ist, wobei die Rotationsachse des Filters parallel zur Ziehspindelachse liegt, daß diese Filtersektoren so zueinander angeordnet sind, daß sie im Verlauf einer Umdrehung des Filters zeitlich nacheinander in den Meßstrahlengang eingeschaltet werden, daß dem rotierenden sektorförmigen Interferenzfilter im Strahlengang ein breitbandiges Ordnungsfilter zusätzlich vorgeschaltet sein kann und daß ein Markengeber vorgesehen ist, der immer dann an eine nachgeschaltete Auswerteeinheit einen Triggerimpuls abgibt, wenn ein auf der Winkelhalbierenden des azimutalen Öffnungswinkels eines Filtersektors befindliches Gebiet des rotierenden Interferenzfilters den Meßstrahlengang durchquert.

Die Realisierung des hochauflösenden und driftarmen Verhältnispyrometerprinzips, bei dem nur ein Strahlungsempfänger alternierend in mindestens zwei verschiedenen, schmalbandigen Spektralbereichen derzu detektierenden Temperaturstrahlung ausgesetzt wird, läßt sich weiterhin mit der beschriebenen Anordnung erfindungsgemäß vorteilhaft dadurch erreichen, daß zwischen der Impfkeimstange und den in der Achse des Keimstangenhalters oder der Ziehspindel befindlichen Strahlungsdetektoren ein durch die Ziehspindel angetriebenes, in einer senkrecht zur Spindelachse liegenden Ebene rotierendes, an sich bekanntes, Verlauf-Interferenzfilter angeordnet ist, wobei die Rotationsachse des Verlauf-Interferenzfilters in einem einstellbaren Abstand a von der Ziehspindelachse verläuft, und daß ein Markengeber vorgesehen ist, der immer dann an eine nachgeschaltete Auswerteeinheit einen Triggerimpuls abgibt, wenn der jeweils durchstrahlte Filterbereich den je nach eingestelltem Abstand a erreichbaren Wellenlängenextrema (X_min bzw. A_max) entspricht.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Meßanordnung besteht darin, daß für die praktische Realisierung einer sequentiellen spektralen Filterung der aus der Kristallisationszone auf den Strahlungsdetektor gelangenden Temperaturstrahlung — im Unterschied zur Verwendung eines speziell für den vorgesehenen Einsatzfall mit hohem Aufwand zu fertigenden sektorförmigen Interferenzfilters — ein handelsübliches Verlauf-Interferenzfilter (VIF) einsetzbar ist. Dieses VIF bedarf keiner nachträglichen mechanischen Bearbeitung, was im Hinblick auf dessen erforderliche lange Lebensdauer und zeitliche Konstanz der optischen Eigenschaften von entscheidender Bedeutung ist.

Den sich mit fortschreitendem Wachstumsprozeß ändernden Zuchtbedingungen Rechnung tragend, ermöglicht es die erfindungsgemäße Anordnung, während des Zuchtvorganges über mindestens zwei verschiedene Meßkanäle simultan Meßwerte zu erhalten, die von den Wachstumsprozeß beeinflussenden und/oder charakterisierenden Parametern unterschiedlicher physikalischer Natur abgeleitet sind und welche sich nach geeigneter Sig'nalbehandlung und -auswertung, vorzugsweise unter Einbeziehung von Verfahren der Korrelationsmeßtechnik, als prozeßrelevante Eingangsgrößen für ein fortgeschritteneres, mehrkanaliges Regelungssystem mit adaptivem Regelungsverhalten eignen, dessen Einsatz in Kristallzuchtanlagen, zweckmäßigerweise unter Einbeziehung eines Prozeßrechners, eine automatische Optimierung der Kristallwachstumsbedingungen über den gesamten Verlauf des Züchtungsprozesses ermöglicht. Die Anwendung sich automatisch optimierender Kontroll- und Regelungsalgorithmen zur Überwachung und gezielten Beeinflussung des Kristallisationsprozesses bildet eine wesentliche Voraussetzung zur Züchtung von Einkristallen hoher Perfektion. Dieses Ziel wird mit Hilfe der beschriebenen Anordnung dadurch erreicht, daß an einem vor thermischer Belastung, chemischen Einflüssen der Zuchtatmosphäre und elektromagnetischen Störfeldern ausreichend geschützten Ort im Innern des Keimstangenhalters oder der Ziehspindel wahlweise mindestens noch ein anderer als zur Registrierung thermischer und/oder nichtthermischer optischer Strahlung (Laser) dienenden Detektor geeigneter konstruktiver Ausführung so angebracht ist, daß eine unbehinderte gleichzeitige Registrierung des zeitlichen Verlaufs der Werte mindestens zweier verschiedener, den aktuellen Zustand des Kristallisationsprozesses charakterisierender Parameter ermöglicht wird, d. h. daß trotz der räumlich benachbarten Anordnung der unterschiedlichen Detektoren keine apparativ und/oder durch das Meßprinzip bedingte störende gegenseitige Beeinflussung der in den verschiedenen Meßkanälen erhaltenen Meßwerte erfolgt. Besonders aussagekräftige, den aktuellen

Verlauf des Kristallisationsprozesses charakterisierende Meßwerte werden insbesondere dann erhalten, wenn der andere als zur Registrierung thermischer und/oder nichtthermischer optischer Strahlung dienende Detektor ein Gewichtsdetektor ist. Durch die Anwendung der Erfindung wird die insbesondere bei der Hochtemperaturzüchtung (HTZ) von Einkristallen bisher nur unbefriedigend erfüllte Forderung nach Verfügbarkeit einer leicht zu handhabenden, häufig wiederverwendbaren, als Keimkristall dienenden Impfkeimstange erfüllt, bei deren Einsatz die genaue, stabile und reproduzierbare Lage des definiert kristallographisch orientierten Keimkristalls unabhängig von der Drehzahl der Ziehspindel und der Arbeitstemperatur garantiert ist.

In Erfüllung dieser Forderung ermöglicht es die erfindungsgemäße Anordnung, beim unvorhergesehenen Erstarren der Schmelze, hervorgerufen z. B. durch Störungen im Energieversorgungsnetz oder plötzlich auftretende Defekte in der Heizenergiequelle der Kristallzuchtapparatur, den Bruch der Impfkeimstange bzw. des an ihr bereits angewachsenen Einkristalls zu verhindern, indem Teile des zwischen Ziehspindel und Impfkeimstange angeordneten Keimstangenhalters im Sinne einer drehmomentabhängigen „Rutschkupplung" wirken und dadurch die Scherkräfte der in solchen Fällen weiterrotierenden Ziehspindel nicht auf den in der erstarrten Schmelze/Schmelzlösung festsitzenden Einkristall übertragen werden. Auf Grund ihres hinreichend großen Abstandes von der heißen Kristallisationszone sowie der stark wärmeabsorbierenden Wirkung des dotierten Bereiches der einkristallinen Impfkeimstange in Verbindung mit den an ihr zusätzlich angebrachten wärmeabschirmenden und/oder wärmeabführenden Elementen befinden sich Rutschkupplung und Einspannstelle der Impfkeimstange in einem ausreichend kühlen Bereich in der Nähe der üblicherweise wassergekühlten Ziehspindel, so daß an dieser Stelle herkömmliche Spannfutter und gewöhnliche Rutschkupplungsausführungen anwendbar sind. Zum Schutz der im Keimstangenhalter angeordneten empfindlichen Detektoren vor der von der heißen Zone abgegebenen thermischen Energie ist ein von der jeweiligen Arbeitstemperatur abhängiger Mindestabstand zwischen ihnen und der Kristallisationszone notwendig, der—insbesondere bei der HTZ — eine relativ große Länge der Impfkeimstange erfordert. Dabei kommt deren erfindungsgemäße Ausführung als durchgängig einkristalline Impfkeimstange gleichzeitig der Forderung nach ausreichender mechanischer Stabilität entgegen. Deren Absolutwert ist jedoch nicht nur von der Realstruktur abhängig, sondern wird auch durch materialspezifische Eigenschaften limitiert, was im konkreten praktischen Einsatzfall zu berücksichtigen ist. Die Einsatzvorteile der beschriebenen einkristallinen Impfkeimstange sind insbesondere bei hohen Arbeits-(d.h.Kristallisations-) temperaturen augenscheinlich, obgleich deren Anwendbarkeit auch bei der Kristallzüchtung aus Schmelzlösungen/Lösungen, die i. a. in niederen absoluten Temperaturbereichen erfolgt, gegeben ist. Besonders positiv wirkt sich der Wegfall eines thermisch hochbeanspruchten, als Verlängerungsstück dienenden, nicht einkristallinen Bauteiles (z. B. einer Keramikstange bzw. eines -rohres o.a.) zwischen eigentlichem Keimkristall und der Befestigungsstelle an der Ziehspindel und damit die Vermeidung einer thermisch stark belasteten und daher kritischen Verbindungsstelle zwischen dem Keimkristall und einem üblicherweise verwendeten, nicht einkristallinen Verlängerungsstück aus, da esbei der HTZ gewöhnlich zu unerwünschten und kaum reproduzierbaren Verzugserscheinungen dieses nicht einkristallinen Bauteiles während der Aufheizphase sowie im weiteren Verlauf des Zuchtprozesses kommt, was trotz sorgfältig vorgenommener Justierung vor Zuchtbeginn —d. h. im kalten Zustand —zu unkontrollierten und unerwünschten—wsii'ka. schädlichen— Mißorientierungen der Lage des Keimkristalls bezüglich der durch die Achse der Ziehspindel vorgegebenen Ziehrichtung im heißen Betriebszustand führt. Der Einsatz der einkristallinen Impfkeimstange von hoher optischer Qualität und guter mechanischer Stabilität in der erfindungsgemäßen Anordnung ermöglicht ihre Verwendung als Teil eines Meßkanals im optischen (einschließlich Infrarot-) Bereich elektromagnetischer Strahlung. Je nach Dotierungsart und -konzentration sowie Längsausdehnung des dotierten Bereiches der Impfkeimstange wirkt diese als selektiver Lichtleiterfür bestimmte, relativ schmale Spektralbereiche des Spektrums der während des Zuchtprozesses von der Kristallisationszone und ihrer unmittelbaren Umgebung ausgehenden sowie der durch sie hindurchtretenden, aus dem Schmelzvolumen sowie Bereichen der Tiegelinnenwand stammenden Hintergrundstrahlung. Somit besteht der gesamte Meßkanal im optischen Bereich aus einer Anordnung, die aus dem wachsenden Kristall selbst und der erfindungsgemäßen Impfkeimstange gebildet wird. In Verbindung mit deren form-und kraftschlüssiger Befestigung am Keimstangenhalter wirkt die eingesetzte Impfkeimstange gleichzeitig als hermetische Abdichtung zwischen den im Keimstangenhalter untergebrachten empfindlichen Detektoranordnungen und der häufig aggressiven Zuchtatmosphäre. Letztere ist, vor allem bei der HTZ, in der Umgebung der heißen Zone des Zuchtaufbaus gewöhnlich mit abdampfenden Bestandteilen der Schmelze, des Tiegeleinbettungsmaterials sowie flüchtigen Produkten der thermischen Dissoziation der Schmelze angereichert. Bei Bedarf, z. B. aus konstruktiven Erfordernissen, kann dieser optische Meßkanal ohne nachteilige Auswirkungen auf die Meßmöglichkeiten noch um einen zwischen der der Ziehspindel zugewandten Stirnfläche der Impfkeimstange und dem jeweils eingesetzten Strahlungsdetektor befindlichen Zwischenraum verlängert werden, in dem als kennzeichnendes Merkmal eine von der im RezipientenderZuchtapparaturaufrechterhaltenen Zuchtatmosphäre (einschließlich Vakuum) hermetisch abgeschlossene, die Messungen nicht beeinträchtigende Atmosphäre (z.B. Inertgas oder Luft) herrscht oder der durch ein anderes, im optischen Bereich transparentes Medium ausgefüllt ist.

Schließlich läßt sich unter Ausnutzung der genannten Merkmale des optischen Meßkanals durch den Einsatz einer vorzugsweise im Keimstangenhalter, in der Ziehspindel oder deren axialer Verlängerung angeordneten, thermischen oder nichtthermischen optischen Strahlungsquelle ein direkter experimenteller Zugang in-situ-Kontrolle des räumlichen Verlaufs und der zeitlichen Änderungen der Interfaceform erreichen, deren Verhalten für den Fortgang des Kristallisationsprozesses von wesentlicher Bedeutung ist und die — insbesondere bei der Hochtemperatur-Kristallzüchtung nach dem Czochralski-Verfahren — einer vergleichbaren on-line-Kontrolle mittels herkömmlicher Methoden nicht zugänglich ist.

Erfindungsgemäß wird die Kontrolle des Interfaceverhaltens und — gestützt auf die dabei im Echtzeit-Maßstab erhaltenen Informationen — deren gezielte Beeinflussung dadurch verwirklicht, daß ein aktives Verfahren der optischen Lokalisierung der Wachstumsfront angewendet wird, indem durch den optischen Meßkanal hindurch auf definierte Gebiete der Phasengrenzfläche zwischen dem wachsenden Kristall und seiner Schmelze/Schmelzlösung ein gebündelter Lichtstrahl gerichtet und der an der Interface reflektierte, durch den optischen Meßkanal zum Strahlungsempfänger zurückgelangende Teil dieses Meßlichtes als Nutzsignal empfangen sowie dessen zeitliche und räumliche Intensitätsverteilung in geeigneter Weise ausgewertet wird. Zweckmäßigerweise findet dabei als Fremdstrahlungsquelle ein LASER Verwendung, wobei dessen charakteristische hohe spektrale Strahldichte insbesondere dadurch vorteilhaft zur Geltung kommt, daß bei der Signalauswertung die Trennung des relativ schwachen Nutzsignals von der störenden thermischen Hintergrundstrahlung durch Anwendung einer schmalbandigen spektralen Filterung unterstützt wird.

-TU-

Mit dieser Anordnung läßt sich auch vorteilhaft ein hochauflösendes, interferometrisches Meßverfahren zur Detektierung des dynamischen Verhaltens der Interface während des Wachstumsprozesses verwirklichen, bei dem der aus dem bereits gewachsenen Kristallabschnitt und der erfindungsgemäß einkristallinen, bereichsweise speziell dotierten Impfkeimstange hoher optischer Qualität bestehende optische Meßkanal einen Teil einer Michelson-Interferometeranordnung darstellt. Schließlich lassen sich aus dem Charakter des Meßsignals, welches bei diesem aktiven Verfahren zur optischen Lokalisierung der Wachstumsfront unter Benutzung der erfindungsgemäßen einkristallinen Impfkeimstange erhalten wird, neben Aussagen über Form und zeitliches Verhalten der Interface in bestimmten Fällen noch weitere Informationen ableiten. Dies betrifft vor allem die Möglichkeit einer möglichst frühzeitigen Feststellung des Auftretens von Einschlüssen, wie z. B. von Tiegelmaterialpartikeln, Gasbläschen oder sonstigen fremden Phasen im wachsenden Einkristall, deren Vorhandensein im Kristall dessen Eignung für den vorgesehenen Einsatz meist ausschließt und somit beträchtliche ökonomische Verluste mit sich bringt. Das Auftreten genannter Einschlüsse kann durch sehr unterschiedliche Ursachen bedingt sein, z. B. durch konstitutionelle Unterkühlung, stöchiometrische Abweichungen oder unkontrollierte Verunreinigungen der eingesetzten Charge, Reaktion des Schmelzguts mit dem Tiegelmaterial und/oder der Zuchtatmosphäre, thermische Dissoziationsvorgänge in der heißen Zone mit anschließender Sublimation der flüchtigen Komponenten, chemische Transportreaktionen, Bläschen- oder Partikeleinfang durch eine rauhe Wachstumsfront u. a. m., so daß sich in der Praxis der Kristallzüchtung solche Erscheinungen trotz sorgfältiger Versuchsvorbereitung und -durchführung nicht vollständig ausschließen lassen. Es ist daher— besonders bei den zur Herstellung dotierter dielektrischer Einkristalle für den Einsatz als aktives Lasermedium üblicherweise notwendigen langen Zuchtzeiten — von großer volkswirtschaftlicher Bedeutung, bereits während des Zuchtprozesses verläßlich Kenntnis vom Auftreten derartiger Erscheinungen zu erhalten, um entweder noch Gegenmaßnahmen treffen zu können (z. B. durch Stoppen des Wachstumsprozesses und Fortsetzung des Zuchtvorganges nach dem Zurückschmelzen eines Teils des bereits gewachsenen Einkristalls sowie Treffen geeigneter Vorkehrungen gegen das wiederholte Auftreten dieser Einschlüsse), oder um wenigstens den Zuchtprozeß begründet abzubrechen, damit die betreffende Kristallzuchtanlage möglichst bald für die nächste Züchtung genutzt werden kann.

Durch die Anwendung der Erfindung ist es möglich, simultan über verschiedene Meßkanäle solche Meßwerte zu erhalten, die für Vorgänge relevant sind, welche sich unmittelbar im Bereich der Kristallisationszone sowie im Gebiet des den wachsenden Kristall umgebenden Schmelzmeniskus abspielen.

Von wesentlicher Bedeutung ist es, daß dabei im Unterschied zu vergleichbaren bekannten Meßmethoden die Registrierung dieser Signale nicht durch störende Wirkungen der Zuchtatmosphäre beeinträchtigt oder verfälscht wird, was bei anderen optischen Kontrollverfahren, z. B. infolge von Turbulenzerscheinungen der Zuchtatmosphäre und unkontrollierbarer Änderungen der optischen Eigenschaften von gewöhnlich im Inneren des Rezipienten der Zuchtapparatur angeordneten Einblickfenstern, Strahlumlenkspiegeln oder anderen optischen Bauelementen durch zunehmendes Beschlagen, Verfärben o. ä. mit fortschreitendem Zuchtprozeß, prinzipiell nicht auszuschließen ist.

Ein für den praktischen Einsatz der beschriebenen Anordnung wesentlicher Vorteil besteht ferner darin, daß die zum Erreichen der Arbeitstemperatur bei gleichzeitiger Realisierung genügend kleiner Temperaturgradienten — insbesondere bei der HTZ — notwendige allseitige thermische Abschirmung der heißen Zone für die erfindungsgemäße Anwendung der aufgeführten kombinierten Meßmethoden keine Einschränkung darstellt.

Auftretende Unregelmäßigkeiten während des Kristallisationsprozesses können durch Auswertung der über mehrere Meßkanäle erhaltenen Daten zeitiger und mit höherer Sicherheit als bei den bekannten Methoden erkannt und somit schädliche Auswirkungen auf die erreichbare Kristallperfektion durch rechtzeitige und zweckmäßige Beeinflussung der Steuerung des Zuchtprozesses vermieden werden.

Die mit der erfindungsgemäßen Anordnung durchführbare Mehrkanal-Prozeßüberwachung, gekennzeichnet durch fortlaufende Registrierung der in der unmittelbaren Umgebung der Kristallisationszone herrschenden Temperaturverhältnisse mittels einer pyrometrischen Methode bei gleichzeitiger Verfolgung von Form und Dynamik der Wachstumsfront mit Hilfe eines aktiven Verfahrens der optischen Lokalisierung der Interface einschließlich simultaner Bestimmung des aktuellen Wertes der integralen Massenwachstumsrate unter Verwendung eines Gewichtsdetektors, d.h. der Ermittlung der jeweils pro Zeiteinheit kristallisierten Masse, ist insbesondere für die Beherrschung von Strömungsphänomenen von großer praktischer Bedeutung, da letztere einen wesentlichen Beitrag zur thermischen Energiebilanz an der Interface liefern und damit deren Verhalten maßgeblich beeinflussen. So wird z. B. beim Auftreten von Konvektionsinstabilitäten im Laufe des Zuchtprozesses die an sich universelle Anwendbarkeit der beim Czochralski-Kristallzuchtverfahren verbreiteten Kristalldurchmesserregelung nach der Gewichtsmethode häufig eingeschränkt.

Der Übergang zur beschriebenen Mehrkanal-Prozeßüberwachung und -steuerung ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da es sich in der Praxis gezeigt hat, daß die Anwendung einer lediglich „einkanaligen" automatischen Stabilisierungsmethode zur Steuerung des Kristallzuchtprozesses in vielen Fällen nicht ausreichend ist, um Einkristalle hoher struktureller Perfektion zu gewinnen. So muß — auch bei der Verwendung automatischer Kristallzucht-Stabilisierungseinrichtungen — zusätzlich zu den bekannten Maßnahmen zur Steuerung des Kristallisationsprozesses, zu denen z. B. die Regelung von Heizleistung, Hub- und Rotationsgeschwindigkeit sowie deren kombinierte zeitliche Variation zwecks gezielter Beeinflussung der Interfacegestalt zählen, als notwendige Voraussetzung für eine erreichbare hohe Kristallqualität stets eine gezielte Optimierung des für die Zucht einer konkreten Kristallart verwendeten Zuchtaufbaus erfolgen, von dessen geeigneter Gestaltung (z. B. Geometrie von Schmelztiegel und Nachheizer, deren gegenseitiger Abstand und ihre relative Lage innerhalb eines Hochfrequenz-Induktors bzw. eines Widerstandsheizers, Ausführung der Tiegeleinbettung und anderer thermischer Abschirmungselemente sowie Größe und Anordnung der gewöhnlich in ihnen vorhandenen Einblicksöffnungen, Ausbildung der Gasführung in der heißen Zone usw.) die für den Kristallisationsprozeß wesentlichen Wert der axialen und radialen Temperaturgradienten in der Schmelze, im Gebiet der Kristallisationszone und im wachsenden Kristall sowie die Gewährleistung stabiler Konvektionsverhältnisse im Schmelztiegel während der gesamten Dauer des Kristallisationsprozesses in entscheidender Weise abhängen. Die beschriebene mehrkanalige Meßanordnung gestattet bei geeigneter Signalauswertung der in den verschiedenen Kanälen registrierten Meßwerte die frühestmögliche und sichere Detektierung des Auftretens hydrodynamisch bedingter Konvektionsinstabilitäten, noch ehe es zu deren Manifestation und in der Folge zum Auftreten einer signifikanten Instabilität der Wachstumsfront oder gar zu deren Umschlag kommt.

Außerdem liefert die erfindungsgemäße Anordnung im Unterschied zu bekannten Lösungen neben prozeßrelevanten Steuersignalen für ein automatisches System mitadaptivem Regelungsverhalten zur Stabilisierung des Kristallzuchtsprozesses zusätzlich objektive Kriterien für die Beurteilung der Güte des jeweils verwendeten Zuchtauf baus. Während nach herkömmlicher Art die schrittweise Optimierung des Zuchtaufbaus auf mehr oder weniger empirischer Basis erfolgt, können beim Einsatz der beschriebenen Meßanordnung als objektiver Maßstab für die Eignung des jeweils getesteten Zuchtaufbaus für die konkrete Zuchtaufgabe und dessen Vergleich mit anderen Konstruktionen zweckmäßigerweise Zeitpunkt und Häufigkeit des Auftretens von Strömungs- bzw. Wachstumsinstabilitäten während des Zuchtprozesses und/oder Betrag und Richtung der zu ihrer Unterdrückung bzw. Beseitigung durch das automatische Stabilisierungssystem vorgenommenen Änderungen bestimmter Züchtungsparameter, wie z. B. der Heizleistung und/oder der Kristallrotationsgeschwindigkeit, herangezogen werden. Diese Objektivierung des Entwicklungsprozesses verringert die Entwicklungszeit, dient der Erhöhung der Kristallqualität sowie der Verbesserung der bei der serienmäßigen Kristallherstellung erreichbaren Verfahrensreproduzierbarkeit und stellt damit insgesamt einen Beitrag zur Weiterentwicklung fortgeschrittener Kristallzuchttechnologien, insbesondere auf dem Gebiet der besonders problemreichen Hochtemperaturzüchtung, dar.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1: schematisch eine Kristallzuchtapparatur,

Fig.2: schematisch eine speziell ausgebildete Impfkeimstange,

Fig.3: ein typisches Absorptionsspektrum von Dy³⁺in einem Granat-Wirtsgitter,

Fig.4: ein typisches Absorptionsspektrum von Ho³⁺ in einem Granat-Wirtsgitter,

Fig.5: ein typisches Absorptionsspektrum von Er³⁺ in einem Granat-Wirtsgitter,

Fig. 6: ein typisches Absorptionsspektrum von Tm³⁺ in einem Granat-Wirtsgitter,

Fig.7: die spektrale Strahldichte eines schwarzen Strahlers bei T = 2250K,

Fig.8: den von YAG:Dy³⁺ durchgelassenen Strahlungsanteil eines schwarzen Strahlers der Temperatur 2250K,

Fig.9: die Aufsicht auf eine sektorförmige Interferenzfilteranordnung,

Fig. 10: die Aufsicht auf eine Verlauf-Interferenzfilteranordnung mit dazugehörigem typischen Signalverlauf.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Teil einer Kristallzuchtapparatur umfaßt einen hermetisch verschlossenen Rezipienten 1, in welchem sich innerhalb einer thermischen Abschirmung 2 ein durch eine Heizeinrichtung 3 beheizbarer Tiegel 4 mit der Schmelze 5 befindet. Im oberen Teil des Rezipienten 1 ist eine hermetische Durchführung 6 angeordnet, in welcher eine gekühlte Ziehspindel 7 dreh- und axial verschiebbar gelagert ist, die durch nicht dargestellte Antriebsorgane während des Kristallzuchtprozesses in eine kombinierte Translations-/Rotationsbewegung versetzt wird. An der der Schmelze 5 zugewandten Stirnseite der Ziehspindel 7 ist im Innern des Rezipienten 1 ein hohl ausgebildeter Keimstangenhalter 8 angeordnet, welcher eine Befestigungseinheit 9 für eine Impfkeimstange 10 besitzt. Die Befestigungseinheit 9 umfaßt ein Spannfutter 11, eine Rutschkupplung 12 sowie eine Detektoraufnahme 13 und gewährleistet eine sichere Halterung der mitwärmeabschirmenden/-abführenden Elementen 14 versehenen Impfkeimstange 10, an deren der Schmelze 5 zugewandtem Endesich der aus der Schmelze 5 gezogene Einkristall befindet. Vorzugsweise im Innern des Keimstangenhalters 8 sind ein oder mehrere Strahlungsempfänger 16 und wahlweise eine optische Strahlungsquelle 17, z.B. ein Laser, sowie Strahlung leitende optische Elemente 18 angeordnet, welche einerseits die von der Kristallisationsfront 19 und ihrer unmittelbaren Umgebung ausgehende, den bereits gewachsenen Teil des Einkristalls 15 und die Impfkeimstange 10 durchlaufende diffuse Strahlung über Blenden 20 und Filteranordnungen 21 zu den Strahlungsempfängern 16 und andererseits die von der optischen Strahlungsquelle 17 ausgehende gebündelte Fremdstrahlung durch die Impfkeimstange 10 und den bereits gewachsenen Teil des Einkristalls 15 zur Kristallisationsfront (Phasengrenzfläche) 19 sowie den von dieser reflektierten Anteil der gebündelten Fremdstrahlung zurück zu den Strahlungsempfängern 16 leiten. Zusätzlich zu den Strahlungsempfängern 16 ist in der Detektoraufnahme 13 ein weiterer Detektor 22 angeordnet, der zur Registrierung anderer physikalischer Größen als Strahlung, vorzugsweise zur Gewichtsdetektierung, geeignet ist. Die Strahlungsempfänger 16 sowie der zusätzliche Detektor 22 sind über eine Auswerteeinrichtung 23 mit Stellgliedern 24 der Kristallzuchtapparatur zur Steuerung der den Kristallisationsprozeß beeinflussenden technologischen Parameter, wie Größe der Heizleistung sowie Hub- und Rotationsgeschwindigkeit der Ziehspindel 7, verbunden.

Gemäß Fig.2 stellt die in der erfindungsgemäßen Anordnung verwendete Impfkeimstange 10 einen kristallographisch entsprechend orientierten und optisch bearbeiteten, einkristallinen, zylinderförmigen Stab dar, der entlang seiner Längserstreckung mindestens einen undotierten Bereich 25 und einen, eine Absorptionszone darstellenden, dotierten Bereich 26 besitzt, wobei sich der undotierte Bereich 25 auf der der Schmelze 5 zugewandten Seite der Impfkeimstange 10 befindet und vorzugsweise die gleiche chemische Zusammensetzung wie der zu züchtende Einkristall 15 aufweist. Zwischen dem undotierten Bereich 25 und dem dotierten Bereich 26 der Impfkeimstange 10 liegt eine herstellungsbedingte Ubergangszone 27, entlang deren Längsausdehnung die Konzentration des für den dotierten Bereich 26 verwendeten Dotierungsmaterials von Null beginnend bis auf den Wert der im dotierten Bereich 26 realisierten mittleren Dotierungskonzentration zunimmt. Ein solcher fließender Übergang des Dotierungsgrades wirkt sich u.a. günstig auf die mechanische Stabilität und thermische Belastbarkeit der Impfkeimstange 10 aus. Der dotierte Bereich 26 befindet sich auf der Schmelze 5 abgewandten Seite der Impfkeimstange 10, wodurch Verunreinigungen der Schmelze 5 mit den im dotierten Bereich 26 eingesetzten Dotierungsstoffen sicher vermieden werden. Dieser dotierte Bereich 26 besteht aus der gleichen Wirtssubstanz wie der undotierte Bereich 25, ist jedoch zusätzlich mit bestimmten Seltenerdionen dotiert, wodurch er Wärmestrahlung absorbierende Eigenschaften für mindestens einen bestimmten, dem der in der Kristallisationszone 28 herrschenden Temperatur entsprechenden Strahlungsmaximum angepaßten Spektralbereich aufweist. Die Wirksamkeit des dotierten Bereiches 26 der Impfkeimstange 10 als Absorptionszone für thermische Strahlung hängt entscheidend von der Auswahl der Dotierungselemente sowie ihrer Konzentration in dieser Zone ab.

Erfindungsgemäß werden — insbesondere für den bei der Hochtemperaturzüchtung wichtigen Arbeitstemperaturbereich von etwa 1800 K bis 2500K — als Dotierung vorteilhaft Ionen der Elemente Dysprosium, Holmium, Erbium oder Thulium — einzeln oder kombiniert — verwendet, wobei die Dotierungskonzentration in einem Bereich von 2-20Mol-% liegt. Die gezielte Einbringung von Ionen der genannten Seltenerdelemente in den dotierten Bereich 26 verleiht diesem außerdem die erwünschte Eigenschaft eines selektiven Strahlungsleiters in für Farbtemperaturmessungen (Quotientenpyrometer) geeigneten, schmalbandigen Spektralbereichen im Wellenlängengebiet von 1000 nm bis 3000 nm. Zur Illustration dieses Sachverhaltes sind in Fig.3-6 die an sich bekannten („Journal of Materials Science" 4 [1969] S.450-456) Absorptionsspektren der Seltenerdionen Dy³⁺, Ho³⁺, Er³⁺, undTm³⁺ in einem Granat-Wirtsgitter wiedergegeben. Obwohl diese Spektren bei 300 K aufgenommen wurden, sind sie in qualitativer Hinsicht auch für höhere Temperaturen als repräsentativ anzusehen, da bei hohen Temperaturen vor allem mit einer durch verstärkte thermische Gitterschwingungen bewirkten zusätzlichen Linienverbreiterung zu rechnen ist und die Absorption somit noch steigt. Da bei der erfindungsgemäßen Ausnutzung des Absorptionsverhaltens der Seltenerdionen Dy³⁺, Ho³⁺, Er³⁺ und Tm³⁺ im dotierten Bereich 26 der Impfkeimstange 10 gegenüber der in Fig. 3-6 benutzten Meßprobendicke von 10 mm eine wesentlich größere Absorptionslänge von größenordnungsmäßig 100-200 mm zur Verfügung steht, braucht bei vorliegender Anwendung der Dotierung zur Erzielung des gewünschten Absorptionseffektes der absolute Dotierungsgrad im dotierten Bereich 26 der Impfkeimstange 10 für alle praktisch bedeutungsvollen dielektrischen Wirtskristalle nur wenige Mol-% betragen, wobei keine für den Einsatzfall wesentliche Verschlechterung der Kristallperfektion (z. B. Festig^keitsminderung oder Induzierung von Brechzahlinhomogenitäten) auftritt. Trotz des Fehlens detaillierter Kenntnisse über das spektrale Verhalten der den optischen Meßkanal bildenden, bei den üblicherweise hohen Arbeitstemperaturen semitransparenten Materialien der Impfkeimstange 10 sowie des wachsenden Einkristalls 15 kann man für qualitative Abschätzungen in grober Näherung für die spektrale Verteilung der von der Schmelze 5 eines zu züchtenden dielektrischen Einkristalls 15 durch die Kristallisationsfront 19 in Richtung des als Absorptionszone wirkenden dotierten Bereiches 26 der Impfkeimstange 10 abgegebenen Gesamtstrahlung (einschließlich der Anteile der Hintergrundstrahlung) das Emissionsspektrum eines schwarzen Strahlers gleicher Temperatur ansetzen. Dabei wird anhand von Fig.7 deutlich, daß bei den für die Zucht von praktisch bedeutsamen oxydischen Einkristallen üblichen Arbeitstemperaturen um 2200 K der weitaus überwiegende Strahlungsanteil im Wellenlängenbereich von 750nm...4000 nm liegt (Tabellen der spektralen Strahldichte des schwarzen Körpers, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin, 1972). Somit kommt für diesen Bereich als besonders vorteilhaftes Dotierungselement vorzugsweise Dysprosium zur Anwendung (Fig. 3). Die hohe Wirksamkeit einer Dy³⁺-Dotierung der Impfkeimstange 10 hinsichtlich der erzielbaren Absorption thermischer Strahlung wird durch Fig. 8 verdeutlicht. In dieser Abbildung ist dem gestrichelt dargestellten Emissionsspektrum 29 eines schwarzen Strahlers der Temperatur 2250 K der von einer als spektrales Filter eingesetzten Dysprosium-Aluminium-Granat-Meßprobe mit einem Absorptionsverhalten gemäß Fig. 3 durchgelassene Anteil dieser schwarzen Strahlung („gefilterte" schwarze Strahlung 30) gegenübergestellt. Die noch verbliebenen Maxima um 1100nm, 1 500nm, 2100nm lassen sich bei Bedarf noch weiter reduzieren, indem eine Ko-Dotierung mit vorzugsweise Hp³⁺ (Absorptionsmaxima bei 1200nm, 1900nm, 2100 nm), Tm³⁺ (Absorptionsmaxima bei 1300 nm, 1 800 nm) und/oder Er³⁺ (Absorptionsmaxima bei 11.00 nm, 1600 nm) erfolgt. Das Dotierungsverhältnis von Dy³⁺ als Hauptdotierungselement zu Ho³⁺, Tm³⁺ und Er³⁺ hängt vom konkreten Einsatzzweck ab. Der als Absorptionszone wirkende, dotierte Bereich 26 stellt eine in die Impf keimstange 10 integrierte Wärmequelle dar, die sich im Zuchtbetrieb aufheizt. Ein auf die Impfkeimstange geklemmter kombinierter Strahlungs- und Kühlschirm 31 unterstützt die ' Wärmeabfuhr aus der Absorptionszone. Außer dem obersten Kühlblech 32 sind die horizontal angeordneten kreisscheibenförmigen metallischen Kühlbleche 33-35 auf ihrer Oberseite durchgehend geschwärzt; auf der Unterseite dagegen sind alle Kühlbleche metallisch blank und poliert. Die vom Kühlschirm aus der Absorptionszone abgeführte thermische Energie wird hauptsächlich von den geschwärzten Oberflächen abgestrahlt. Gleichzeitig bilden die blanken Unterseiten der Kühlbleche .32-35 eine wirksame Abschirmung des Keimstangenhaiters 8 gegen die seitlich neben der Impfkeimstange 10 aus dem Bereich des heißen Tiegels 4 nach oben austretende Wärmestrahlung und — falls nicht unter Vakuum gezüchtet wird — den nach oben gerichteten heißen Gaskonvektionsströmungen. Vorteilhaft werden die Kühlbleche 32—35 in radialer Richtung geschlitzt, wodurch bei induktiver Erwärmung des Tiegels die unerwünschte Energiekopplung in die Kühlbleche gering gehalten wird. In Fig.9 ist schematisch die Anordnung zur Realisierung des angewendeten hochauflösenden und driftarmen Verhältnispyrometer-Meßprinzips dargestellt, bei dem nur ein Strahlungsempfänger alternierend in zwei verschiedenen, schmalbandigen Spektralbereichen der zu detektierenden Temperaturstrahlung ausgesetzt wird. Das durch die Ziehspindel 7 angetriebene sektorförmige Interferenzfilter 36 rotiert in einer senkrecht zur Spindelachse liegenden Ebene. Es besteht aus je zwei Filtersektoren 37 und 38 unterschiedlicher spektraler Durchlässigkeit, die sich paarweise gegenüberstehen und im Verlauf einerUmdrehung des Interferenzfilters 36 zeitlich nacheinanderin den Meßstrahlengang geschwenkt werden. Ein Markengeber 39 gibt immer dann eine nicht dargestellte Auswerteeinheit einen Triggerimpuls ab, wenn ein auf der Winkelhalbierenden 40 des azimutalen Öffnungswinkels eines Filtersektors 37 oder 38 befindliches Gebiet des rotierenden Interferenzfilters 36 den Meßstrahlengang durchquert. Mit dieser Anordnung wird eine alternierende spektrale Filterung der durch den Meßkanal auf den Strahlungsempfänger 16 gelangenden Strahlung in zwei schmalbandigen Spektralbereichen realisiert. In einer weiteren Ausführungsvariante wird die hochauflösende und driftarme Verhältnispyrometeranordnung vorteilhaft unter Verwendung eines Verlauf-Interferenzfilters 41 anstelle dessektorförmigen Interferenzfilters 36 realisiert (Fig. 10). Das Verlauf-Interferenzfilter 41 ist zwischen der Impfkeimstange 10 und dem in der Achse der Ziehspindel 7 plazierten Strahlungsempfänger 16 angeordnet, wird durch die Ziehspindel 7 angetrieben und rotiert in einer senkrecht zur Spindelachse liegenden Ebene. Dabei verläuft die Rotationsachse 42 des Verlauf-Interferenzfilters 41 in einem einstellbaren Abstand a von der Ziehspindelachse 43. Durch Variation des Wertes von a kann die im Verlauf einer Umdrehung des Verlauf-Interferenzfilters 41 überstrichene Wellenlängendifferenz Δλ = K_max - \_mm beeinflußt und somit ohne Filterwechsel dem konkreten Einsatzfall angepaßt werden, während durch die Wahl des Wertes bin Fig. 10 der gewünschte WellenlängenschwerpunktX_o = {X_max + A_mi_n)/2festgelegtwird. Ein Markengeber 44 gibt immer dann an eine nicht dargestellte Auswerteeinheit einen Triggerimpuls ab, wenn der jeweils durchstrahlte Filterbereich den je nach eingestelltem Abstand a erreichbaren Wellenlängenextrema (K_mm bzw. K_maJ entspricht. Durch diese Triggerimpulse wird jeweils die Übernahme des aktuellen Meßwertes in die Auswerteeinheit ausgelöst, in der aus jeweils zwei seitlich aufeinanderfolgende Meßwerten KXmm), und l(X_max)i mittels einer nicht näher dargestellten Quotientenschaltung der dem im i-ten Zeitintervall bei A_mj_n und A_max ermittelten Strahlungsintensitäten entsprechende Temperaturwert gebildet wird.

Claims

1. Anordnung zur Ermittlung von den Kristallisationsprozeß charakterisierenden Daten und/oder Meßgrößen bei Anlagen zur Kristallzüchtung aus Schmelzen, Schmelzlösungen oder Lösungen mit bewegtem Keimkristall, umfassend eine während des Kristallzuchtprozesses rotierende und axial bewegbare Ziehspindel mit Keimstangenhalter, dadurch gekennzeichnet, daß eine, einen Keimkristall definierter kristallographischer Orientierung darstellende, unabhängig von der Drehzahl der justierten Ziehspindel und der Arbeitstemperatur stabile, reproduzierbare und leicht auswechselbare einkristalline Impfkeimstang von hoher optischer Qualität vorgesehen ist, daß im Innern des Keimstangenhalters oder der Ziehspindel, vorzugsweise in der Achse derselben, mindestens ein die von der Kristallisationszone und ihrer unmittelbaren Umgebung ausgehende thermische Strahlung und durch sie hindurchtretende, aus dem Schmelzvolumen sowie Bereichen der Tiegelinnenwand stammende Hintergrundstrahlung detektierender Strahlungsempfänger und/oder Fremdstrahlung einer vorzugsweise in dem Keimstangenhalter oder in der Ziehspindel angeordneten thermischen oder nichtthermischen optischen Strahlungsquelle auf die Wachstumsfront richtende und von dieser reflektierte Strahlung auf diese Strahlungsempfänger leitende optische Elemente sowie Blenden- und Filteranordnungen vorgesehen sind, daß vorzugsweise mindestens ein zusätzlicher, einen oder mehrere weitere, den aktuellen Zustand des Kristallisationsprozesses charakterisierende Parameter messender Detektor im Inneren des Keimstangenhalters oder der Ziehspindel angeordnet ist, daß die Impfkeimstange entlang ihrer Längserstreckung mindestens einen undotierten und einen dotierten Bereich umfaßt, wobei der dotierte Bereich sowohl Wärmestrahlung absorbierende Eigenschaften für mindestens einen bestimmten, vom Spektrum der von der absoluten Temperatur der Kristallisationszone abhängigen und dem dieser Temperatur entsprechenden Strahlungsmaximum angepaßten Spektralbereich aufweist und gleichzeitig in geeigneten Spektralbereichen einen selektiven Strahlungsleiter darstellt.

2. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dotierte Bereich in dem, dem Keimstangenhalter benachbarten Teil der Impfkeimstange vorgesehen istund als Dotierung Ionen mindestens eines der Elemente Dysprosium, Holmium, Erbium oder Thulium enthält.

3. Anordnung nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dotierte Bereich der Impfkeimstange in für Farbtemperaturmessungen (Quotientenpyrometer) geeigneten schmalbandigen Spektralbereichen, vorzugsweise im Bereich von 1 000nm bis 3000 nm, strahlungsdurchlässig ist.

4. Anordnung nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration in Abhängigkeitvon der Länge des dotierten Bereichesund von demfürden Einbau der betreffenden Ionen wirksamen Verteilungskoeffizienten 2 bis 10Mol-% beträgt.

5. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Strahlungsdetektor in der Achse des Keimstangenhalters oder der Ziehspindel angeordnet ist und daß sich zwischen diesem Strahlungsdetektor und der Impfkeimstange ein schmalbandiges Interferenzfilter befindet, dessen nominelles spektrales Durchlässigkeitsmaximum auf einen, von den verwendeten Dotierungselementen beeinflußten Spektralbereich abgestimmt ist, in dem die dotierte Impfkeimstange einen selektiven Strahlungsleiter darstellt, wobei dem schmalbandigen Interferenzfilter im Strahlengang ein breitbandiges Ordnungsfilter zusätzlich vorgeschaltet sein kann.

6. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Impfkeimstange und den in der Achse des Keimstangenhalters oder der Ziehspindel befindlichen Strahlungsdetektoren ein durch die Ziehspindel angetriebenes, in einer senkrecht zur Spindelachse liegenden Ebene rotierendes Interferenzfilter mit mindestens zwei Sektoren unterschiedlicher spektraler Durchlässigkeit angeordnet ist, wobei die Rotationsachse des Filters parallel zur Ziehspindelachse liegt, daß diese Filtersektoren so zueinander angeordnet sind, daß sie im Verlauf einer Umdrehung des Filters zeitlich nacheinander in den Meßstrahlengang eingeschaltet werden, daß dem rotierenden sektorförmigen Interferenzfilter im Strahlengang ein breitbandiges Ordnungsfilter zusätzlich vorgeschaltet sein kann und daß ein Markengeber vorgesehen ist, der immer dann an eine nachgeschaltete Auswerteeinheit einen Triggerimpuls abgibt, wenn ein auf der Winkelhalbierenden des azimutalen Öffnungswinkels eines Filtersektors befindliches Gebiet des rotierenden Interferenzfilters den Meßstrahlengang durchquert.

7. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Impfkeimstange oder den in der Achse des Keimstangenhalters oder der Ziehspindel befindlichen Strahlungsdetektoren ein durch die Ziehspindel angetriebenes, in einer senkrecht zur Spindelachse liegenden Ebene rotierendes, an sich bekanntes, Verlauf-Interferenzfilter angeordnet ist, wobei die Rotationsachse des Verlauf-Interferenzfilters in einem einstellbaren Abstand a von der Ziehspindelachse verläuft, und daß ein Markengeber vorgesehen ist, der immer dann an eine nachgeschaltete Auswerteeinheit einen Triggerimpuls abgibt, wenn der jeweils durchstrahlte Filterbereich den je nach eingestelltem Abstand a erreichbaren Wellenlängenextrema (A_min bzw. A_max) entspricht.

8. Anordnung nach Punkt 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsempfänger vorzugsweise Si-Fotoelemente eingesetzt werden.

9. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Impfkeimstange wärmeabschirmende und/oder wärmeabführende Elemente vorgesehen sind.

10. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der andere als zur Registrierung thermischer und/oder nichtthermischer optischer Strahlung dienende Detektor vorzugsweise ein Gewichtsdetektor ist.