DE102005037393B4 - Verfahren sowie Vorrichtung zur Züchtung von grossvolumigen Einkristallen unter Ausbildung einer konvexen Phasengrenzfläche während des Kristallisationsprozesses - Google Patents

Verfahren sowie Vorrichtung zur Züchtung von grossvolumigen Einkristallen unter Ausbildung einer konvexen Phasengrenzfläche während des Kristallisationsprozesses Download PDF

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    • C30B11/00Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/003Heating or cooling of the melt or the crystallised material

Abstract

Verfahren zur Züchtung von großvolumigen Einkristallen mit einem Durchmesser größer 200 mm und einer Höhe größer 100 mm und mit einheitlicher Orientierung aus einer Schmelze aus Kristallrohmaterial in einer Vorrichtung, umfassend
einen Schmelztiegel (5) mit einem eine Mitte aufweisenden Boden, Heizelemente (1, 2, 3) sowie eine den Schmelztiegel umgebende Isolation (4), wobei ein im Schmelztiegel vorliegendes Kristallrohmaterial mittels der Heizelemente so lange auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes erwärmt wird, bis sich eine eine Oberfläche aufweisende Schmelze bildet, und/oder wobei bereits geschmolzenes Kristallrohmaterial in den Schmelztiegel eingetragen wird,
und wobei durch langsames Absenken der Temperatur auf mindestens die Kristallisationstemperatur des Kristallrohmaterials am Boden des Schmelztiegels ein Einkristall gebildet wird, der mit der Schmelze eine Phasengrenzfläche fest/flüssig ausbildet, an welcher der Einkristall in einer Richtung senkrecht zur Phasengrenzfläche zur Schmelzoberfläche hin wächst, und
wobei durch eine in der Mitte des Tiegelbodens gebildete Wärmesenke eine vom Boden des Schmelztiegels...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Züchtung von großvolumigen Einkristallen einheitlicher Orientierung aus einer Schmelze, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sowie die Verwendung derart hergestellter Kristalle.
  • Einkristalle zeichnen sich dadurch aus, dass sie über ihr gesamtes Volumen hinweg eine einheitliche Orientierung aufweisen, was eine Voraussetzung dafür ist, dass eine hohe optische Homogenität im gesamten Kristallvolumen vorliegt.
  • Aus diesem Grunde eignen sie sich hervorragend zur Verwendung in der optischen Industrie oder auch als Ausgangsmaterial für optische Komponenten in der DUV Fotolithographie, wie für Stepper oder Excimerlaser.
  • Das Züchten von Einkristallen aus der Schmelze ist an sich bekannt. In Lehrbüchern zur Kristallzucht, wie beispielsweise dem 1088 Seiten umfassenden Werk ”Kristallzüchtung” von K.-Th. Wilke und J. Bohm, werden die unterschiedlichsten Verfahren zum Züchten von Kristallen beschrieben, wovon im folgenden die häufigsten Techniken kurz erwähnt werden.
  • Prinzipiell können Kristalle aus der Gasphase, der Schmelze, aus Lösungen oder sogar aus einer festen Phase durch Rekristallisation oder Festkörperdiffusion gezüchtet werden. Diese sind jedoch meist nur für den Labormaßstab gedacht und nicht für die großtechnisch industrielle Fertigung geeignet. Die wichtigsten großtechnischen Schmelzzüchtungsverfahren zur Herstellung von Kristallen sollen im folgenden kurz erläutert werden.
  • Beim Czochralski-Verfahren wird ein leicht gekühlter Kristallkeim mittels eines Fingers in einen Tiegel mit geschmolzenem Kristallrohmaterial eingetaucht und langsam vorzugsweise unter Rotation herausgezogen. Dabei wächst beim Herausziehen ein größerer Kristall an.
  • Dieses Verfahren hat zum Nachteil, dass durch die Kühlung am Kristall relativ große Temperaturänderungen erzeugt werden, die zu einer spannungsinduzierten Anisotropie führen.
  • Beim vertikalen Bridgman-Verfahren wird in einem beweglichen Schmelztiegel ein Kristallrohmaterial mittels eines Heizmantels aufgeschmolzen, wobei dann der Tiegel in einem durch die Heizung aufgebauten axialen Temperaturgradienten aus dem Heizmantel heraus langsam nach unten abgesenkt wird, oder es wird alternativ bei feststehendem Tiegel eine bewegliche Heizeinrichtung nach oben verschoben. Die Kristallisation beginnt mit unterschreiten der Schmelztemparatur in der (meist unten gelegenen) Tiegelspitze und setzt sich mit dem weiteren Absenken des Tiegels entlang des axialen Temperaturfeldes in den Tiegel hinein fort. Auf diese Weise wird die Kristallwachstumsrate sehr einfach durch die Geschwindigkeit des Absenkens gesteuert. In einer Variante hierzu, dem sogenannten Bridgman-Stockbager-Verfahren, wird der bewegbare Tiegel in einem axialen Gradienten zwischen zwei übereinander angeordneten Heizmänteln, zwischen denen eine scharfe Temperaturstufe ausgebildet ist, unter Bildung eines Kristalls langsam abgesenkt. Es entsteht eine obere Heizzone, die auf einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur gehalten wird, und eine untere Heizzone, die auf einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur gehalten wird. Die Kristallisation erfolgt beim Übertritt des Schmelzmaterials aus der oberen in die untere Heizzone. Um den Temperaturgradienten in der Umgebung der Phasengrenze, also der Grenze zwischen auskristallisiertem und noch in Schmelze befindlichem Material, möglichst steil zu halten, wird zwischen den beiden Heizzonen eine Isolationsschicht oder ein Strahlungsschild angeordnet.
  • Beim sogenannten Vertical Gradient Freeze-Verfahren (VGF Verfahren) werden um den feststehenden Schmelztiegel herum mehrere übereinander liegende konzentrische Heizkreise mantelförmig angeordnet. Jeder dieser Heizkreise lässt sich getrennt ansteuern. Durch ein langsames Herunterfahren der Heizleistung jedes einzelnen um die Tiegelwand angeordneten Heizkreises lässt sich die Temperatur langsam unter den Kristallisationspunkt herabfahren, wodurch ein radialer Temperaturgradient entsteht, entlang dessen das Kristallwachstum stattfindet. Die Kristallwachstumsrate wird dabei durch die Geschwindigkeit der Temperaturveränderung gesteuert.
  • In einer Variante des VGF-Verfahrens werden an der Tiegeloberseite und dem Tiegelboden Heizelemente so angeordnet, dass zwischen ihnen ein axialer Temperaturgradient ausgebildet wird.
  • Bei der sogenannten Gradient-Solidification-Method (GSM) wird um einen feststehenden Schmelztiegel ein diesen ringförmig umgebender Heizkreis langsam herunter und wieder hoch gefahren.
  • Sowohl beim Bridgman- als auch beim Vertical Gradient Freeze-Verfahren dient der axiale Temperaturgradient als Triebkraft für das Kristallwachstum. Allerdings gewinnt mit wachsendem Tiegeldurchmesser, wie er für eine wirtschaftliche industrielle Produktion von Einkristallen erforderlich ist, der sich dabei zunehmend einstellende radiale Temperaturgradient an Bedeutung. Er beeinflusst die Form der Phasengrenzfläche, die für ein stabiles Kristallwachstum mitverantwortlich ist.
  • Unter normalen Bedingungen ist der sich einstellende radiale Temperaturgradient dergestalt, dass die Temperatur im Außenbereich des Schmelztiegels aufgrund der dortigen Wärmeabstrahlung niedriger ist als im mittig dazu gelegenen Bereich. Folglich kristallisiert im Außenbereich des Tiegels bereits Material aus, während das Material im radial dazu gelegenen Kernbereich noch in Schmelze vorliegt. Es stellt sich also eine konkave Phasengrenzfläche ein. Das Kristallwachstum erfolgt also vom Tiegeläußeren in Richtung Mitte.
  • Es wurde gefunden, dass Einkristalle, die unter Ausbildung einer ebenen oder konkaven Phasengrenzfläche hergestellt wurden, üblicherweise keine homogenen optischen und mechanischen Eigenschaften zeigen. So ist es unter den oben beschriebenen Bedingungen nicht möglich, großvolumige, insbesondere sich weit in alle drei Raumrichtungen erstreckende Einkristalle, also vorzugsweise runde Kristalle mit einem Durchmesser von > 200 mm und einer Höhe von > 100 mm herzustellen, da sich bei solchen Dimensionen innerhalb des Kristallvolumens regelmäßig Blöcke ausbilden und es zu einer Umorientierung der Kristallachsen kommt.
  • Darüber hinaus hat es sich als schwierig erwiesen, derartig große Kristalle mit hoher Ausbeute auch optisch hoch homogen zu gestalten. Die Lichtbrechung des erhaltenen Kristalls ist nicht in allen Bereichen gleich. Es können daher in der Regel nur einzelne, optisch zufriedenstellende Bereiche eines solchermaßen hergestellten Einkristalls verwendet werden. Da es sich bei derartigen Kristallzüchtungsverfahren um Prozesse mit ca. 6-wöchiger Laufzeit handelt, und die Anzahl derartiger Züchtungsanlagen aus Kostengründen beschränkt ist, ist die mit diesen Verfahren zu erhaltende geringe Ausbeute aus wirtschaftlichen Gründen nicht zufriedenstellend. Es sind daher bereits vielfältige Versuche unternommen worden, die Ausbeute und die Qualität solcher Kristalle zu verbessern.
  • So wird beispielsweise in der EP 1147248 A1 eine Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallen beschrieben, die so ausgestaltet ist, dass die Ausbildung eines radialen Temperaturgradienten ausgeschlossen ist und sich folglich eine ebene Phasen grenzfläche im Schmelztiegel ausbildet. Die DE 100 10 484 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Züchten von Einkristallen, die so ausgestaltet ist, dass ein seitlicher radialer Wärmefluss verhindert wird. Auch hier bildet sich eine möglichst ebene Phasengrenzfläche im Schmelztiegel aus.
  • Die DE 199 12 484 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung von Gallium-Arsenid-Einkristallen. Dabei wird zwischen einem Zuchttiegel und den umgebenden Heizelementen ein Isolator angeordnet, der sich nach oben hin verbreitert.
  • Die DD 254 034 A1 beschreibt eine Kristallzüchtung nach dem Tiegelsenkverfahren, bei dem mittels einer konzentrierten Wärmeabfuhr in der Tiegelspitze eine konvexe Phasengrenzfläche erzeugt wird. Dabei wird der konvexe Phasenverlauf nur an der Tiegelspitze generiert, so dass früher oder später und insbesondere bei großen Kristallen die Phasengrenzfläche in einen konkaven Verlauf übergeht.
  • Die JP 2005-035824 A beschreibt die Herstellung von Einkristallen in einem Zuchttiegel. Allerdings wird dabei im unteren konischen Bodenbereich des Zuchttiegels mittels einer Wärmesenke eine konvexe Phasengrenzfläche ausgebildet.
  • Die JP 11-130579 A beschreibt die Herstellung von III-V-Einkristallen, die zur Herstellung von Halbleitern geeignet sind.
  • Zwar werden mit den vorgenannten Maßnahmen sowohl Qualität als auch Ausbeute an Einkristallen verbessert, jedoch ist eine weitere Verbesserung wünschenswert.
  • Aufgabe bzw. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die Herstellung von Einkristallen mit weiter verbesserten op tischen Eigenschaften sowie eine erhöhte Ausbeute ermöglichen. Diese Aufgabe wird mit den Verfahrensmerkmalen des Anspruchs 1 bzw. den Vorrichtungsmerkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wurde nämlich gefunden, dass sich die vorgenannten Ziele dadurch erreichen lassen, wenn man in der Bodenmitte eine Wärmesenke erzeugt, und so zu Beginn des Kristallwachstums eine starke konvex gekrümmte Kristalloberfläche bildet. Erst im späteren Zuchtverfahren, wenn der Kristall aus dem Bodenbereich herausgewachsen ist, muss die Kristalloberfläche, d. h. die Phasengrenze fest/flüssig wieder ebener werden. Die Abflachung sollte so stark sein, dass der Krümmungsradius der Phasengrenze R ≥ 2 m insbesondere ≥ 4 m beträgt. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass um den Schmelztiegel eine allseitig umgebende Isolation bzw. Isolationselement angeordnet ist, die so ausgestaltet ist, dass sie sich vom Tiegelboden bis zum oberen Ende des Tiegels kegelförmig verjüngt. Die Isolation ist zwischen einem Mantelheizer und der Tiegelwand angeordnet.
  • Demnach ist ein Verfahren zur Züchtung von großvolumigen Einkristallen mit einheitlicher Orientierung aus einer Schmelze aus Kristallrohmaterial vorgesehen, bei dem eine Vorrichtung die einen Schmelztiegel mit einem Boden, sowie eine den Schmelztiegel vorzugsweise allseitig umgebende Isolation umfasst, wobei ein im Schmelztiegel vorliegendes Kristallrohmaterial mittels Heizelementen so lange auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes erwärmt wird, bis sich eine eine Ober fläche aufweisende Schmelze bildet, und/oder wobei bereits geschmolzenes Kristallrohmaterial in den Schmelztiegel eingetragen wird, und danach durch langsames Absenken der Temperatur auf mindestens die Kristallisationstemperatur des Kristallrohmaterials am Boden des Schmelztiegels ein Einkristall gebildet wird, der mit der Schmelze eine Phasengrenzfläche fest/flüssig ausbildet, an welcher der Einkristall in eine Richtung senkrecht zur Phasengrenzfläche zur Schmelzoberfläche hinwächst. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass bei der Kristallzüchtung am Tiegelboden eine mittige bzw. im Zentrum angeordnete Wärmesenke erzeugt wird, wodurch sich mittels der sich kegelförmig verjüngenden Isolation eine konvexe Phasengrenzfläche bildet.
  • Dies bedeutet, dass die Kristallwachstumsfront insbesondere im Bereich des Tiegelbodens schüsselförmig nach oben durchgebogen und die Kristallhöhe an der Tiegelwandung niedriger als im Zentrum ist. Durch die konvexe Form der Phasengrenzfläche wird also gewährleistet, dass das Kristallwachstum vom Zentrum her gerichtet nach außen verläuft. Dadurch wird insbesondere im Bereich des Tiegelbodens die vorgegebene Kristallordnung manifestiert und das Auftreten von Korngrenzen verhindert. Dies führt insgesamt zu einer höheren Kristallhomogenität und einer verminderten Spannungsdoppelbrechung.
  • Im erfindungsgemäßen Verfahren wird oberhalb sowie auch unterhalb des Tiegels eine Decken- bzw. Deckelheizung sowie eine Bodenheizung angeordnet, welche das Kristallmaterial aufschmelzen und/oder den geschmolzenen Zustand aufrecht erhalten. Durch langsames Abkühlen der Heizelemente wird ein axialer Temperaturgradient erzeugt, in dem die Schmelze abkühlt wodurch das Kristallwachstum erzeugt wird das am Tiegelboden beginnt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Absenken der Temperatur auf mindestens die Kristallisationstemperatur am Boden des Schmelztiegels dadurch bewerkstelligt wird, dass der Schmelztiegel allseitig, insbesonders ringförmig von Heizelementen umgeben ist, die einen Heizraum ausbilden, aus dem der Tiegel nach unten abgesenkt wird (Bridgman-Verfahren).
  • In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Absenken der Temperatur auf mindestens die Kristallisationstemperatur am Boden des Schmelztiegels dadurch bewerkstelligbar ist, dass die den Schmelztiegel allseitig umgebende Heizelemente mit unterschiedlicher und während der Durchführung des Verfahrens änderbarer Heizleistung betrieben werden können (Vertical Gradient-Freeze-Verfahren).
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die konvexe Phasengrenzfläche dadurch erzeugt wird, dass der Tiegelboden so ausgestaltet ist, dass die Mitte des Tiegelbodens eine Wärmesenke darstellt, durch die Wärme aus dem Tiegel nach unten abgeführt und/oder an der Tiegelwand ein Wärmeberg gebildet wird, was z. B. durch ein ringförmig die Wand allseitig umgebendes Heizelement erzeugt werden kann. Dieses Merkmal wird weiter unten in Zusammenhang mit der entsprechenden Vorrichtung diskutiert.
  • Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass die den Schmelztiegel allseitig umgebenden Heizelemente so betrieben werden, dass während des gesamten Verfahrens die Temperatur im oberen Be reich des Tiegels größer ist als die Temperatur im mittleren Bereich des Tiegels, und diese wiederum größer ist als die Temperatur im Bodenbereich des Tiegels.
  • Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die Kristallwachstumsrichtung mittels eines Kristallkeims vorgegeben wird. Der Keimkristall ist vorzugsweise ein Einkristall, der in eine am Gefäßboden angeordnete Keimtasche eingeführt wird, und zwar vorzugsweise so, dass seine Orientierung der gewünschten späteren Orientierung des großvolumigen Einkristalls entspricht.
  • Bevorzugt ist dabei ebenso vorgesehen, dass als Wachstumsrichtung die Kristallachse {111} oder {112} verwendet wird.
  • Außerdem wird bevorzugt eine Kristallwachstumsgeschwindigkeit von 0,1 bis 1 mm/Stunde erzeugt. Diese Wachstumsgeschwindigkeit wird üblicherweise mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 0,5 bis 10 K pro Tag erreicht. Besonders bevorzugt wird eine Wachstumsgeschwindigkeit von 0,2 bis 0,5 mm/Stunde. Daher ist besonders bevorzugt, dass die Schmelze und/oder der fertige Kristall mit einer Temperatur zwischen 1 bis 5 K pro Tag abgekühlt wird.
  • Bevorzugt ist es auch, dass der Schmelztiegel nach dem Einfüllen des Kristallrohmaterials mit einem Inertgas gespült wird. Ebenso kann eine Inertgasmischung verwendet werden. Alternativ kann die Züchtung auch unter einem Vakuum zwischen 10–3 bis 10–6 mbar (entsprechend 10–1 bis 10–4 Pa) und vorzugsweise zwischen 10–4 und 10–5 mbar (10–2 bis 10–3 Pa) durchgeführt werden.
  • Als Kristallrohmaterial wird bevorzugt Calciumfluorid verwendet. Weiterhin bevorzugte Kristallmaterialien sind MgF2, BaF2, SrF2, LiF und NaF, sowie Kristallmischungen davon.
  • Bevorzugt wird weiterhin, dass dem Kristallrohmaterial ein oder mehrere Scavenger zugesetzt werden. Solche Scavenger reagieren in einer Homogenisierungsphase mit eventuell vorliegenden Verunreinigungen zu leicht flüchtigen Substanzen.
  • Besonders bevorzugt ist ebenfalls vorgesehen, dass die Schmelze vor Beginn der Kristallisation über einen Zeitraum von 1 bis 20 Tagen homogenisiert wird. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Heizleistung der Heizelemente derart eingestellt wird, dass in der Schmelze eine Konvektion entsteht, wodurch diese laufend vermischt wird, so dass gelöste und unerwünschte Verunreinigungen an die Schmelzoberfläche gelangen, wo insbesondere leicht flüchtige Substanzen abdampfen können. Die Homogenisierung der Schmelze dauert mindestens einen Tag, insbesondere jedoch mindestens 1,5 Tage und besonders bevorzugt mindestens 2 Tage. Die Homogenisierung dauert höchstens 10 Tage, insbesondere höchstens 5 Tage und besonders bevorzugt höchstens 4 Tage. Während des Aufschmelzens und während der Homogenisierung wird ein in der Keimtasche vorliegender Kristallkeim vorzugsweise gekühlt, um ein vorzeitiges Auf- oder Anschmelzen zu vermeiden. Dies geschieht üblicherweise mittels einer Wasserkühlung. Die Kühlung wird zweckmäßigerweise mittels eines mit Wasser gekühlten Grafitstabes durchgeführt.
  • Weiterhin ist erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen. Die Vorrichtung weist einen Schmelztiegel mit einem Boden, und einer Isolation auf. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegelboden so ausgestaltet ist, dass die Mitte des Tiegelbodens eine Wärmesenke darstellt, durch die Wärme aus dem Tiegel nach unten abgeführt wird. Eine Wärmesenke kann dadurch erzeugt werden, dass an der Tiegelwand ein Wärmeberg gebildet wird, was z. B. durch ein die Wand allseitig insbesonders ringförmig umgebendes Heizelement und/oder durch Isolierung geschehen kann. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass um den Schmelztiegel eine allseitig umgebende Isolation bzw. Isolationselement angeordnet ist, die so ausgestaltet ist, dass sie sich vom Tiegelboden bis zum oberen Ende des Tiegels kegelförmig verjüngt.
  • Die Isolation ist zwischen einem Mantelheizer und der Tiegelwand angeordnet.
  • Auf diese Weise wird im Bereich der Mitte des Tiegelbodens laufend Wärme abgeführt, während die äußeren Bereiche ihre Wärme besser halten. Es bildet sich so ein radialer Temperaturgradient aus, der dazu führt, dass im Bereich der Mitte des Tiegelbodens (und später auch in weiter oben gelegenen, jedoch immer noch mittigen Bereichen) Material auskristallisiert, während sich außerhalb der Mitte gelegenes Material immer noch in der Schmelze befindet. Auf diese Weise bildet sich eine konvexe Phasengrenzfläche aus, die in den Abbildungen durch die gekrümmten, punktierten Linien angedeutet ist, und die für ein stets gerichtetes Kristallwachstum sorgt.
  • Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass der Tiegelboden konisch in eine nach unten gerichtete Spitze zuläuft. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Tiegelboden nur mit seiner Mitte auf einem Fundament aufsteht. Die äußeren Bereiche des Tiegelbodens haben hingegen keinen Kontakt zu dem Fundament und sind daher im Vergleich zur Bodenmitte nach unten hin thermisch isoliert. So wird auf einfache Weise die erfindungsgemäße, in der Mitte des Tiegelbodens angeordnete Wärmesenke verwirklicht. Diese Ausgestaltung lässt sich besonders einfach verwirklichen, wenn der Tiegelboden wie schon beschrieben konisch in eine nach unten gerichtete Spitze zuläuft.
  • In einer anderen, ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass unterhalb der die Mitte des Tiegelbodens umgebenden Bereiche Isolatoren angeordnet sind. Im Gegensatz dazu steht die Mitte des Tiegelbodens wärmeschlüssig mit dem Fundament in Verbindung. Die Isolatoren können z. B. einfache, in das Fundament eingelassene Lufträume sein, oder aber aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit hergestellt sein. Es kann sich dabei z. B. um einen horizontal angeordneten, ringförmigen Hohlraum im Fundament handeln, der einen Bereich des Fundaments umgibt, über welchen die Mitte des Tiegelbodens mit dem Fundament wärmeschlüssig in Verbindung steht. Der Hohlraum kann auch eine Querschnittsfläche in Form eines rechtwinkligen Dreiecks aufweisen und so an die konische Form des Tiegelbodens angepasst sein. Grundsätzlich. kann der Isolator aus jedem geeigneten Material hergestellt sein und jede geeignete Form annehmen.
  • In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die zwischen den seitlichen Wänden des Schmelztiegels und den Heizelementen angeordnete Isolation so ausgestaltet ist, dass sie sich vom Tiegelboden bis zum oberen Ende des Tiegels kegelförmig verjüngt. Mit dieser Geometrie kann mittels der Heizelemente das Verhältnis von radialem zu axialem Temperaturgradient so eingestellt werden, dass sich über den gesamten Zuchtverlauf eine konvexe Phasengrenzfläche einstellt.
  • Mit zunehmender Höhe des gewachsenen Kristalls nimmt der Einfluss des Tiegelbodens auf die axialen und radialen Temperaturgradienten ab. Der Einfluss der bodenmittigen Wärmesenke auf den Verlauf der Phasengrenzfläche nimmt daher mit zunehmender Höhe ebenfalls ab. Die Phasengrenzfläche wird daher mit zunehmender Höhe des gewachsenen Kristalls immer ebener, wobei eine zu ebene Fläche sich durch die sich mit der Höhe verjüngende Isolation vermieden werden kann, wenn seitlich gelegene Heizelemente direkter auf den Tiegel einwirken und die Wärmeableitung der Tiegelwandung kompensieren, so dass auch in dieser Höhe der Randbereich der Schmelze warmer ist als deren Mitte, und sich folglich eine konvexe Phasengrenzfläche einstellt.
  • In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die den Schmelztiegel allseitig umgebenden Heizelemente einen Deckenheizer, einen Mantelheizer und eine Bodenheizer aufweisen. Weiterhin weist der erfindungsgemäße Schmelztiegel bevorzugt einen Durchmesser von 250 mm bis 600 mm auf.
  • In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Boden des Schmelztiegels eine Keimtasche zur Aufnahme eines Kristallkeimes aufweist. Die Keimtasche ist vorzugsweise in der Mitte des Tiegelbodens, also ggf. in der konisch nach unten zulaufenden Spitze, angeordnet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Keimtasche insbesondere an ihrem unteren Ende ein Kühlelement auf. Dieses Kühlelement ist vorzugsweise ein mit Wasser gefülltes Kühlelement, welches den in der Keimtasche vorliegenden Impfkristall davor schützt, beim Schmelzen des Kristallrohmaterials vorzeitig an- oder aufgeschmolzen zu werden. Da die Tiegelspitze mit der Keimtasche in Verbindung steht, wird hierüber Wärme abgeführt. Die Keimtasche fördert also zusätzlich die Ausbildung der oben genannten Wärmesenke.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Schmelztiegel einen oberhalb des Schmelzraumes angeordneten erweiterten Pufferraum auf, der als Trichter zum Einfüllen des Kristallrohmaterials dient. Insbesondere dient er jedoch dazu, die von einer Deckelheizung abgegebene Wärmemenge zu equilibrieren, damit ein auf die Kristallmasse gleichmäßig einwirkender Wärmefluss erzeugt wird und eventuell an der Heizung entstehende lokale Temperaturunterschiede ausgeglichen werden. Vorzugsweise ist der eigentliche Schmelzraum mit einer wärmeleitenden Abdeckung versehen, die den Isolationsraum und den eigentlichen Schmelzraum trennt. Sie dient ebenso der Temperaturequilibrierung und besteht aus einem nur leicht wärmedämmendem bzw. isolierendem Material.
  • Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, an der Außenwand des Schmelzgefäßes möglichst ohne Abstand eng verlaufend ein oder mehrere Temperaturmesselemente anzuordnen. Vorzugsweise ist/sind das oder die Messelemente als Schiebeelement ausgebildet, welche von außen bei Betrieb der Vorrichtung längs der Seitenwand verschiebbar angebracht sind, um so den vom Gefäßboden zum Gefäßdeckel axial verlaufenden Temperaturgradienten zu messen. Bevorzugte Messelemente sind Thermoelemente, Thermistoren und insbesondere Pyrometer.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Element zum Erfassen der Phasengrenze zwischen fester kristalliner und geschmolzener flüssiger Phase auf. Als zweckmäßig hat sich hierfür ein Phasentaster erwiesen, der einen in einem hohlen Führungsrohr verlaufenden Taststab umfasst, welcher in das Schmelzgefäß reicht und wobei der Stab im Führungsrohr langsam nach unten abgesenkt werden kann, wobei die feste kristalline Phase ertastet wird. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform besteht der Phasentaster aus einem Ultraschallgerät, welches von oben in die Schmelze eintaucht, die an der Phasengrenzfläche reflektierten Schallwellen misst und auf diese Weise das Kristallwachstum bestimmt.
  • In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist die Vorrichtung einen oberhalb der Öffnung des Schmelztiegels angeordneten Kondensator auf, der eventuell austretende Materialdämpfe abscheidet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Gehäuse der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen verschließ- und öffenbaren Deckel, über den das Schmelzge fäß mit Kristallrohmaterial beschickt werden und der fertige Kristall entnommen werden kann. Vorzugsweise weist das Gehäuse der Vorrichtung mindestens eine Öffnung zum Be- oder Entlüften des gesamten Innenraums auf. Über diese Öffnung kann das Innere der Vorrichtung unter Vakuum gesetzt und/oder ggf. mit einem Schutzgas gefüllt werden.
  • Die innerhalb des Gehäuses angeordneten Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen vorzugsweise aus Grafit. Dabei wird das Schmelzgefäß aus einem gut wärmeleitenden gepressten Grafit gebildet. Das Isolationsmaterial besteht vorzugsweise aus einem lose gepackten Grafit, insbesondere Faserwerkstoffen aus Grafitwolle oder Grafitmatten. Auch die Heizelemente sind zweckmäßigerweise aus Grafit gebildet, wobei sich wärmeerzeugende, stromleitende Grafitbahnen mäanderförmig um die zu beheizende Fläche winden und als Stromwiderstandsheizung Wärme erzeugen. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen werden die stromführenden Elemente von den benachbarten Grafitteilen mittels Isolatoren in Abstand gehalten. Bevorzugte Isolatoren sind hierbei Bornitrid.
  • Das Gehäuse der erfindungsgemäßen Anlage besteht üblicherweise aus einem chemisch resistenten, hitzebeständigen Material und ist vorzugsweise eine Stahllegierung, wobei Edelstahl besonders bevorzugt ist. Allerdings hat sich in vielen Fällen auch Baustahl als ausreichend erwiesen.
  • Weiterhin ist die Verwendung von erfindungsgemäß hergestellten Einkristallen zur Herstellung von Linsen, Prismen, Lichtleitstäben, optischen Fenstern sowie optischen Komponenten für die DW-Photolithographie, Steppern, Excimerlasern, Computerchips, sowie integrierten Schaltungen und elektronischen Geräten, die solche Schaltungen und Chips enthalten, vorgesehen.
  • Die Erfindung soll anhand der folgenden Figuren näher erläutert werden, ohne dass die Figuren den Schutzbereich der vorliegenden Patentanspruche einschränken oder begrenzen sollen.
  • Es zeigen 1, 2 und 3 eine verschiedene Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung.
  • 1 zeigt einen Schmelztiegel 5 mit einem Boden, einem Deckelheizelement 1, einem Mantelheizelement 2 und einem Bodenheizelement 3, einer zwischen Schmelztiegel 5 und dem Mantelheizelement 2 angeordneten Isolation 4, sowie einem Fundament, auf dem der Schmelztiegel 5 angeordnet ist. Der Tiegelboden läuft konisch in eine nach unten gerichtete Spitze zu. Die Mitte des Tiegelbodens steht wärmeschlüssig mit dem Fundament in Verbindung, während unterhalb der die Mitte de Tiegelbodens umgebenden Bereiche ein Isolator 6 angeordnet ist. Hierbei handelt es sich um einen horizontal angeordneten, ringförmigen Hohlraum im Fundament, der den Bereich des Fundaments umgibt, über welchen die Mitte des Tiegelbodens mit dem Fundament wärmeschlüssig in Verbindung steht (insbesondere dann, wenn die Tiegelspitze eine in 1 nicht dargestellte Keimtasche aufweist, die in der Regel mit Wasser gekühlt wird). Auf diese Weise wird im Bereich der Mitte des Tiegelbodens laufend Wärme abgeführt, während die äußeren Bereiche aufgrund des unterhalb angeordneten Isolators 6 ihre Wärme besser halten. Es bildet sich so ein radialer Temperaturgradient aus, der dazu führt, dass im Bereich der Mitte des Tiegelbodens Material auskristallisiert, während sich außerhalb der Mitte gelegenes Material immer noch in der Schmelze befindet. Auf diese Weise entwickelt sich eine konvexe Phasengrenzfläche aus, die in 1 durch die gekrümmten, punktierten Linien angedeutet ist, und die für ein stets gerichtetes Kristallwachstum sorgt.
  • Die zwischen Schmelztiegel 5 und dem Mantelheizelement 2 angeordnete Isolation 4 ist so ausgestaltet, dass sie sich vom Tiegelboden bis zum oberen Ende des Tiegels kegelförmig verjüngt.
  • Mit dieser Geometrie kann mittels der Heizelemente das Verhältnis von radialem zu axialem Temperaturgradient so eingestellt werden, dass sich über den gesamten Zuchtverlauf eine konvexe Phasengrenzfläche einstellt.
  • 2 zeigt eine andere Ausgestaltung eines Schmelztiegels 5 mit einem Boden, einem Deckelheizelement 1, einem Mantelheizelement 2 und einem Bodenheizelement 3, einer zwischen Schmelztiegel 5 und dem Mantelheizelement 2 angeordneten Isolation 4, sowie einem Fundament, auf dem der Schmelztiegel 5 angeordnet ist. Der Tiegelboden läuft konisch in eine nach unten gerichtete Spitze zu. Die Mitte des Tiegelbodens steht wärmeschlüssig mit dem Fundament in Verbindung, während unterhalb der die Mitte des Tiegelbodens umgebenden Bereiche ein Isolator 7 angeordnet ist. Hierbei handelt es sich nunmehr um einen Hohlraum, der eine Querschnittsfläche in Form eines rechtwinkligen Dreiecks aufweist und so an die konische Form des Tiegelbodens angepasst ist. Im Vergleich zu der in 1 gezeigten Ausgestaltung ist der wärmeisolierende Effekt des Isolators 7 wesentlich höher, so dass sich eine noch stärker konvexe gekrümmte Phasengrenzfläche einstellt.
  • 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Schmelztiegels 5 mit einem Boden, einem Deckelheizelement 1, einem Mantelheizelement 2 und einem Bodenheizelement 3, einer zwischen Schmelztiegel 5 und dem Mantelheizelement 2 angeordneten Isolation 4, sowie einem Fundament, auf dem der Schmelztiegel 5 angeordnet ist. Der Tiegelboden steht nur mit seiner Mitte auf dem Fundament auf. Die äußeren Bereiche des Tiegelbodens haben hingegen keinen Kontakt zu dem Fundament und sind daher im Vergleich zur Bodenmitte nach unten hin thermisch isoliert. So wird auf einfache Weise die erfindungsgemäße, in der Mitte des Tiegelbodens angeordnete Wärmesenke verwirklicht. Diese Ausgestaltung lässt sich besonders einfach verwirklichen, wenn der Tiegelboden wie schon beschrieben konisch in eine nach unten gerichtete Spitze zuläuft.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Züchtung von großvolumigen Einkristallen mit einem Durchmesser größer 200 mm und einer Höhe größer 100 mm und mit einheitlicher Orientierung aus einer Schmelze aus Kristallrohmaterial in einer Vorrichtung, umfassend einen Schmelztiegel (5) mit einem eine Mitte aufweisenden Boden, Heizelemente (1, 2, 3) sowie eine den Schmelztiegel umgebende Isolation (4), wobei ein im Schmelztiegel vorliegendes Kristallrohmaterial mittels der Heizelemente so lange auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes erwärmt wird, bis sich eine eine Oberfläche aufweisende Schmelze bildet, und/oder wobei bereits geschmolzenes Kristallrohmaterial in den Schmelztiegel eingetragen wird, und wobei durch langsames Absenken der Temperatur auf mindestens die Kristallisationstemperatur des Kristallrohmaterials am Boden des Schmelztiegels ein Einkristall gebildet wird, der mit der Schmelze eine Phasengrenzfläche fest/flüssig ausbildet, an welcher der Einkristall in einer Richtung senkrecht zur Phasengrenzfläche zur Schmelzoberfläche hin wächst, und wobei durch eine in der Mitte des Tiegelbodens gebildete Wärmesenke eine vom Boden des Schmelztiegels aus gesehen konvexe Phasengrenzfläche erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation (4) zwischen dem Mantelheizelement (2) und dem Tiegel angeordnet ist und sich vom Tiegelboden bis zum oberen Ende des Tiegels kegelförmig verjüngt.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke, durch ein Ableiten der Wärme nach unten erzeugt wird.
  3. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallwachstumsrichtung mittels eines Kristallkeims vorgegeben wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wachstumsrichtung die Kristallachse {111} oder {112} verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kristallrohmaterial Calciumfluorid verwendet wird.
  6. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass allseitig um den Schmelztiegel Heizelemente angeordnet werden, die so betrieben werden, dass während des gesamten Verfahrens die Temperatur im oberen Bereich des Tiegels größer ist als die Temperatur im mittleren Bereich des Tiegels, und diese wiederum größer ist als die Temperatur im Bodenbereich des Tiegels.
  7. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1–5 mit einem Schmelztiegel (5) mit einem Boden, Heizelementen (1, 2, 3) und einer Isolation (4), wobei der Tiegelboden so ausgestaltet ist, dass die Mitte des Tiegelbodens eine Wärmesenke darstellt, durch den die Wärme aus dem Tiegel nach unten abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die um den Schmelztiegel angeordnete Isolation zwischen dem Mantelheizelement (2) und dem Tiegel angeordnet ist und sich vom Tiegelboden bis zum oberen Ende des Tiegels kegelförmig verjüngt.
  8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegelboden konisch in eine nach unten gerichtete Spitze zuläuft.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7–9, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden des Schmelztiegels eine Keimtasche zur Aufnahme eines Kristallkeimes aufweist, an der ein Kühlelement angeordnet ist.
  10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7–9, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegelboden nur in seiner Mitte auf einem Fundament aufsteht.
  11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7–10, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der die Mitte des Tiegelbodens umgebenden Bereiche Isolatoren angeordnet sind.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7–11, dadurch gekennzeichnet, dass Heizelemente, Isolationsmaterial oder Schmelztiegeln aus Grafit bestehen.
  13. Verwendung von nach einem Verfahren der Ansprüche 1–6 oder mittels Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7–12 erhaltenen Einkristallen zur Herstellung von Linsen, Prismen, Lichtleitstäben, optischen Fenstern sowie optischen Komponenten für die DUV-Photolithographie, Steppern, Excimerlasern, Computerchips, sowie integrierten Schaltungen und elektronischen Geräten, die solche Schaltungen und Chips enthalten.
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