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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Dieses
Verfahren hat zum Nachteil, dass durch die Kühlung am Kristall relativ große Temperaturänderungen
erzeugt werden, die zu einer spannungsinduzierten Anisotropie führen.
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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.
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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.
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In
einer Variante des VGF-Verfahrens werden an der Tiegeloberseite
und dem Tiegelboden Heizelemente so angeordnet, dass zwischen ihnen ein
axialer Temperaturgradient ausgebildet wird.
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Bei
der sogenannten Gradient-Solidification-Method (GSM) wird um einen
feststehenden Schmelztiegel ein diesen ringförmig umgebender Heizkreis langsam
herunter und wieder hoch gefahren.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
JP 11-130579 A beschreibt
die Herstellung von III-V-Einkristallen,
die zur Herstellung von Halbleitern geeignet sind.
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Zwar
werden mit den vorgenannten Maßnahmen
sowohl Qualität
als auch Ausbeute an Einkristallen verbessert, jedoch ist eine weitere
Verbesserung wünschenswert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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).
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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.
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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.
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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.
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Bevorzugt
ist dabei ebenso vorgesehen, dass als Wachstumsrichtung die Kristallachse
{111} oder {112} verwendet wird.
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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.
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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.
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Als
Kristallrohmaterial wird bevorzugt Calciumfluorid verwendet. Weiterhin
bevorzugte Kristallmaterialien sind MgF2,
BaF2, SrF2, LiF
und NaF, sowie Kristallmischungen davon.
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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.
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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.
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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.
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Die
Isolation ist zwischen einem Mantelheizer und der Tiegelwand angeordnet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung soll anhand der folgenden Figuren näher erläutert werden, ohne dass die
Figuren den Schutzbereich der vorliegenden Patentanspruche einschränken oder
begrenzen sollen.
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Es
zeigen 1, 2 und 3 eine verschiedene
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.