DE102007006731A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Zinkoxid-Einkristallen aus einer Schmelze - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Zinkoxid-Einkristallen aus einer Schmelze Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Zinkoxid-Einkristallen aus einer Schmelze. Es ist Aufgabe der Erfindung, die Zinkoxid-Einkristalle in "heißen" metallischen Tiegeln mit hoher Perfektion und Reinheit sowie mit Kantenlängen von mindestens 10 mm herzustellen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, die für die Züchtung von Zinkoxid-Einkristallen in heißen metallischen Tiegeln mit Kantenlängen von über einem Zentimeter erforderlichen definierten Temperaturgradienten im Bereich 1 K/cm bis 20 K/cm einstellen zu können. Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren zur Herstellung von ZnO-Einkristallen aus einer Schmelze, bei dem pulverförmiges Zinkoxid, das sich in einem Tiegel aus hochschmelzendem Edelmetall befindet, mittels Induktionsheizung geschmolzen wird und bei einer Temperatur von mindestens 1700°C ein Gesamtdruck eines Gasgemisches aus Inertgas und Kohlendioxid von mindestens 5 x 10<SUP>5</SUP> Pa eingestellt und anschließend die ZnO-Schmelze definiert abgekühlt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Beheizung des ZnO enthaltenen Tiegels von außerhalb des Tiegels über eine induktiv betriebene Wärmequelle und eine definierte Abkühlung der ZnO-Schmelze im Tiegel durch Erzeugung von Temperaturgradienten erfolgt, indem eine Veränderung der Heizleistung der induktiv betriebenen Wärmequelle in Verbindung mit einer vertikalen Abwärtsbewegung des Tiegels entlang der Wärmequelle oder einer vertikalen Aufwärtsbewegung ...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Zinkoxid-Einkristallen aus einer Schmelze.
  • Die Nachfrage an Zinkoxid-Einkristallen ist aufgrund der besonderen physikalischen Eigenschaften des Materials nach wie vor hoch. Von wirtschaftlichem Interesse sind zunehmend die Züchtung großer Einkristalle hoher Perfektion und Reinheit zur Verwendung in der Optoelektronik. Technologisch wünschenswert sind dabei Einkristalle mit Kantenlängen von mehr als 10 mm.
  • Zur Züchtung von Zinkoxid-Einkristallen allgemein werden verschiedene Methoden herangezogen, so u. a. die Schmelzzüchtung, das Hydrothermalverfahren oder auch die Züchtung aus der Gasphase. Die bisher angewandten Züchtungsmethoden zur Herstellung von Zinkoxid-Einkristallen werden entweder als wirtschaftlich unrentabel beschrieben oder aber die Herstellung ist mit nicht akzeptablen Verunreinigungen im Kristall verbunden [u. a.: R. Helbig, „Über die Züchtung von größeren reinen und dotierten ZnO-Einkristallen aus der Gasphase, in: J. Cryst. Growth, Vol. 15, 1972, pp. 25–31; E. Ohshima, H. Ogino, I. Niikura, K. Maeda, M. Sato, M. Ito, T. Fukuda, "Growth of the 2-in-size bulk ZnO single crystals by the hydrothermal method" in: J. Cryst. Growth, Vol. 260, 2003, pp. 166–170; B. M. Wanklyn, "The growth of ZnO crystals from phosphate and vanadate fluxes" in: J. Cryst. Growth, vol. 7, Issue 1, July–August 1970, pp. 107–108]. Insbesondere sind Verunreinigungen unvermeidbar, wenn ZnO-Kristalle aus Schmelzlösungen oder hydrothermalen Lösungen gezüchtet werden, weil solche Lösungen naturgemäß fremde Substanzen als Lösungsmittel enthalten.
  • Die bisherigen Verfahren ermöglich zwar auch die Züchtung von größeren Einkristallen, so auch mit Kantenlängen über 1 cm. Die hier auftretenden Verunreinigungen im Material machen dieses jedoch für eine Anwendung in der Elektronik und Optoelektronik nicht geeignet.
  • Bei der Züchtung von ZnO-Einkristallen aus der Schmelze muss den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Zinkoxides bzw. der Schmelze Rechnung getragen werden. Die Herstellung der ZnO-Schmelze wird wegen des Tripelpunktes der Substanz, der bei ca. 1975°C und einem Druck von mehr als 105 Pa liegt, erschwert. Diese extremen Werte stellen besondere Anforderungen an das Züchtungsverfahren und an die erforderliche Apparatur.
  • Bei einem in III-Vs Review, Vol. 12, No. 4 (1999), pp. 28–31 oder in US 5,900,060 beschriebenen Züchtungsverfahren wird eine ZnO-Schmelze unter Druck in einem kalten Tiegel hergestellt. Die Heizung erfolgt durch Hochfrequenz direkt in der Schmelze. Da die Heizleistung mit der elektrischen Leitfähigkeit steigt und die elektrische Leitfähigkeit wiederum mit der Temperatur, werden heißere Teile der Schmelze stärker geheizt als kühlere. Deutlich unterhalb des Schmelzpunktes wird dann überhaupt keine Heizleistung mehr eingekoppelt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist also, dass die Wärme direkt in die Schmelze eingekoppelt wird, was letztendlich zu ausgeprägten Temperaturgradienten führt.
  • Bei diesem sog. „skull melting" – auch beschrieben in: Nause & Nemeth, Semicond. Sci. Technol. 20 (2005) S. 45 bis 48 – bei dem ein „kalter" Tiegel aus gekühltem, pulverförmigen ZnO als Behälter dient und die Heizung durch eine in das ZnO-Pulver eingebettete und von Kühlwasser durchflossene Induktionsspule erfolgt, entstehen sehr steile Temperaturgradienten zwischen direkt geheizter Schmelze und dem gekühlten Behälter. Die Ausbildung steiler Temperaturgradienten verhindert jedoch die Züchtung gut ausgebildeter Kristalle.
  • Es ist ein Verfahren zur Herstellung von Zinkoxid-Einkristallen bekannt, bei denen eine Zinkoxid-Schmelze in einem in einer Druckkammer befindlichen hochschmelzendem metallischen Tiegel in einer Gasatmosphäre unter Druck erzeugt wird. Hierbei wird insbesondere eine Schmelzzüchtung in „heißen" Metalltiegeln durchgeführt, wobei die Zuführung der Wärme induktiv durch Einkopplung direkt in den Metalltiegel erfolgt.
  • Bei der Schmelzzüchtung in derart direkt geheizten Tiegeln ist nachteilig, dass das Temperaturfeld nicht wie im herkömmlichen Bridgman-Verfahren in einem separaten Ofen eingestellt werden kann. Solche separaten Öfen werden nach dem Stand der Technik mit Widerstandsheizern betrieben.
  • Im genannten Verfahren stellt der die Schmelze enthaltende Iridium-Tiegel selbst die Wärmequelle dar, d. h. die Wärme wird induktiv im Tiegel erzeugt. Auf diese Weise lassen sich Temperaturgradienten von einigen 10 K/cm einstellen. Diese immer noch für die Züchtung von ZnO-Einkristallen „steilen" Temperaturgradienten erlauben jedoch nur die Herstellung von ZnO-Einkristallen mit Kantenlängen unterhalb einem Zentimeter.
  • Die Kopplung von Wärmequelle und Tiegel erweist sich bei der Herstellung von Zinkoxid-Einkristallen aus der Schmelze in heißen Tiegeln in Bezug auf die Einstellung definierter kleiner Temperaturgradienten als nachteilig.
  • Entscheidend für die Ausbildung größerer Einkristalle, und insbesondere solcher mit Kantenlängen von über einem Zentimeter, ist die Einstellung geeigneter Temperaturgradienten im Züchtungsprozess. Dies konnte auch im bisherigen Verfahren noch nicht befriedigend gelöst werden.
  • Die bloße Reduzierung der Heizleistung ermöglicht ebenfalls nur die Herstellung kleinerer ZnO-Einkristalle mit Kantenlängen von weniger als einem Zentimeter.
  • Entsprechend den beschriebenen Anforderungen ist es Aufgabe der Erfindung, die Zinkoxid-Einkristalle in „heißen" metallischen Tiegeln mit hoher Perfektion und Reinheit sowie mit Kantenlängen von mindestens 10 mm herzustellen.
  • Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, die für die Züchtung von Zinkoxid-Einkristallen in heißen metallischen Tiegeln mit Kantenlängen von über einem Zentimeter erforderlichen definierten Temperaturgradienten im Bereich 1 K/cm bis 20 K/cm einstellen zu können.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Anspruches 1 und den Merkmalen des Anspruches 6.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
  • So ist das Verfahren zur Herstellung von ZnO-Einkristallen aus einer Schmelze, bei dem pulverförmiges Zinkoxid, das sich in einem Tiegel aus hochschmelzendem Edelmetall befindet, mittels Induktionsheizung geschmolzen wird und bei einer Temperatur von mindestens 1700°C ein Gesamtdruck eines Gasgemisches aus Inertgas und Kohlendioxid von mindestens 5 × 105 Pa eingestellt und anschließend die ZnO-Schmelze definiert abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beheizung des ZnO enthaltenen Tiegels von außerhalb des Tiegels über eine induktiv betriebene Wärmequelle und eine definierte Abkühlung der ZnO-Schmelze im Tiegel durch Erzeugung von Temperaturgradienten erfolgt, indem eine Veränderung der Heizleistung der induktiv betriebenen Wärmequelle in Verbindung mit einer vertikalen Abwärtsbewegung des Tiegels entlang der Wärmequelle oder einer vertikalen Aufwärtsbewegung der Wärmequelle entlang des Tiegels durchgeführt wird.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Zinkoxid-Einkristallen, umfassend eine Druckkammer, in der ein Tiegel aus hochschmelzendem Edelmetall, eine Induktionsheizeinrichtung zum Beheizen des Tiegels und ein Mittel zur thermischen Isolierung angeordnet sind sowie ein Mittel zum Einstellen eines definierten Druckes eines Gemisches aus Inertgas und Kohlendioxid in der Druckkammer, ist dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum eines in der Druckkammer befindlichen Hohlzylinders aus hochschmelzendem Edelmetall der Tiegel angeordnet ist, dass zwischen Induktionsheizeinrichtung und einer Außenwand des Hohlzylinders eine thermische Isolationsschicht angeordnet und dass der Tiegel oder die Induktionsheizeinrichtung vertikal bewegbar ausgeführt ist,
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Heizleistung der induktiv betriebenen Wärmequelle innerhalb einer Stunde auf etwa 80% der Leistung gesenkt wird, die zum Aufschmelzen des pulverförmigen ZnO erforderlich ist.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass innerhalb der Wärmequelle über eine Länge von ca 3 cm bis 7 cm Temperaturgradienten im Bereich von 1 K/cm bis 20 K/cm eingestellt werden.
  • Eine nächste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,1 mm/h und 20 mm/h vertikal nach unten bewegt wird.
  • Das Verfahren ermöglicht die Erzeugung der für die Züchtung von Einkristallen mit Kantenlängen von mehr als einem Zentimeter erforderlichen definierten Temperaturgradienten.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Wärmequelle mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,1 mm/h und 20 mm/h relativ zum Tiegel vertikal nach oben bewegt wird. Alternativ zur Senkung des Tiegels kommt auch die Bewegung der Wärmequelle in Betracht.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Zinkoxid-Einkristallen, umfassend eine Druckkammer, in der ein Tiegel aus hochschmelzendem Edelmetall, eine Induktionsheizeinrichtung zum Beheizen des Tiegels und ein Mittel zur thermischen Isolierung angeordnet sind sowie ein Mittel zum Einstellen eines definierten Druckes eines Gemisches aus Inertgas und Kohlendioxid in der Druckkammer, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass im Innenraum eines in der Druckkammer befindlichen Hohlzylinders aus hochschmelzendem Edelmetall der Tiegel angeordnet ist, dass zwischen Induktionsheizeinrichtung und einer Außenwand des Hohlzylinders eine thermische Isolationsschicht angeordnet und dass der Tiegel oder die Induktionsheizeinrichtung vertikal bewegbar ausgeführt ist, ermöglicht die Einstellung geeigneter Temperaturgradienten für die Züchtung von Zinkoxid-Einkristallen mit Kantenlängen von mehr als 10 mm.
  • Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Tiegel einen Zylinderbereich und einen Kegelbereich aufweist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Induktionsheizeinrichtung eine Induktionsspule aufweist.
  • Beim induktiven Heizen des Tiegels wird in dem am unteren Ende befindlichen Kegelbereich – genauer gesagt in der Spitze des Kegels – eine geringere Heizleistung induziert als im zylindrischen Bereich des Tiegels, da die Spitze des Tiegels im Verhältnis zu übrigen Tiegel weiter von der Induktionsheizeinrichtung entfernt ist. Beim Absenken der Heizleistung beginnt am zuerst erkaltenden Kegelbereich die Kristallbildung. Die Verringerung der Heizleistung im Kegelbereich bzw. in der Spitze des Tiegels lässt sich beispielsweise durch Variation der Wanddicke des Tiegels, des Öffnungswinkels an der Tiegelspitze sowie der Variation der elektrischen Frequenz mit der die Induktionsheizeinrichtung berieben wird, einstellen.
  • Eine andere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsheizeinrichtung eine Induktionsspule aufweist, deren Spulenlänge relativ zur Länge des Tiegels mindestens das 1,5-fache beträgt.
  • In einer nächsten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Induktionsheizeinrichtung eine inhomogene Induktionsspule aufweist, deren Windungsabstände zwischen den benachbarten Spulenwindungen der Induktionsspule ungleich sind.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Induktionsheizeinrichtung eine inhomogene Induktionsspule aufweist, deren Spulendurchmesser bezogen auf die Spulenlänge ungleich ist.
  • Eine andere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Induktionsheizeinrichtung aus mindestens zwei Induktionsspulen besteht, wobei die Induktionsspulen in vertikaler Richtung angeordnet sind.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Hohlzylinder aus Iridium besteht.
  • Die beschriebenen Ausgestaltungen der Induktionsspule bzw. die Anordnung mehrerer untereinander angeordneter Induktionsspulen dient dazu, dass im unteren Teil der Spule eine geringere Heizleistungen als im mittleren Teil induziert wird. Im Zusammenspiel mit dem Hohlzylinder wird das benötigte Temperaturfeld mit den für die Züchtung geeigneten kleinen Temperaturgradienten erzeugt. Hierbei wird der Nachteil im bekannten Verfahren überwunden, dass definierte Temperaturgradienten nur „grob" einstellbar waren.
  • Eine nächste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Isolationsschicht aus Al2O3 oder ZrO2 besteht.
  • Die thermische Isolationsschicht dient dem Schutz der Induktionsspule(n) vor der im Hohlzylinder induzierten Heizleistung. Als geeignetes Isolationsmaterial hat sich Al2O3 erwiesen. Alternativ oder ergänzend kann ZrO2 als Isolationsmaterial bei Temperaturen ab 1800°C verwendet werden.
  • Schließlich ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass im Kegelbereich des Tiegels eine Metallplatte aus hochschmelzendem Edelmetall, die Löcher aufweist, angeordnet ist. Diese Edelmetallplatte dient der Keimauslese und fördert das Wachstums eines Einkristalles.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine gegenüber dem bekannten Verfahren zur Züchtung von ZnO-Einkristallen aus Schmelzen in heißen Tiegeln verbesserte Züchtungstechnologie dar, bei der die Übertragung von Wärmeenergie in einen metallischen Tiegel erfolgt, der die Wärme gleichmäßig an die darin befindliche Schmelze abgibt. Die Wärme wird erfindungsgemäß nicht mehr induktiv im Tiegel erzeugt.
  • Die zusätzliche Anordnung des Hohlzylinders in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht die räumliche Trennung zwischen dem Ort der Wärmeerzeugung – dem Hohlzylinder – und dem Behälter des geschmolzenen ZnO – dem Tiegel –. Durch den Hohlzylinder wird erfindungsgemäß das benötigte Temperaturfeld erzeugt.
  • Die Trennung zwischen dem Ort der Wärmeerzeugung und dem Tiegel ermöglicht erfindungsgemäß die Glättung der Temperaturgradienten durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung auf das erforderliche Niveau zwischen 1 K/cm und 20 K/cm.
  • Die im Hohlzylinder erzeugte Heizleistung stellt die für die Züchtung geeigneten Temperaturgradienten bereit, indem die Heizleistung so eingestellt werden kann, dass die Temperatur, ausgehend vom Schmelzpunkt des Zinkoxid, bei 1975°C, über eine Länge von mindestens 5 cm mit einem Gradienten von 1 K/cm bis 20 K/cm abfallen kann. Dadurch wird das Wachstum von Zinoxid-Kristallen mit Kantenlängen von über 1 cm ausgelöst.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung optimieren den bekannten Züchtungsprozess in „heißen" metallischen Tiegeln. Insbesondere wird die Einstellung definierter und für die Züchtung von ZnO-Einkristallen geeigneter kleiner Temperaturgradienten erreicht. Die erfindungsgemäße Züchtungstechnologie eignet sich für die Züchtung von Zinkoxid-Einkristallen mit Kantenlängen von mehr als 10 mm und hoher Reinheit.
  • Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1: einen schematischen Querschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung
  • 2: einen schematischen Querschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei übereinander angeordneten Spulen.
  • Die Vorrichtung in 1 umfasst im Wesentlichen eine Druckkammer 6, in der eine wassergekühlte Induktionsheizeinrichtung 3, eine thermische Isolationsschicht 5, ein Hohlzylinder 4 und ein Tiegel 1 angeordnet sind. Die Isolationsschicht 5 befindet sich zwischen der Außenwand 4c des Hohlzylinders 4 und der Induktionsheizeinrichtung 3. Gemäß 1 enthält die Induktionsheizeinrichtung 3 eine Induktionsspule 3a, die durch Spulenwindungen 3b, Windungsabstände 3c, einen Spulendurchmesser 3d sowie eine Spulenlänge 3e definiert ist.
  • Der Tiegel 1 ist unterteilt in einen Zylinderbereich 1b und einen am unteren Ende des Zylinderbereiches 1b befindlichen Kegelbereich 1c. Der Tiegel 1 ist vertikal bewegbar in einem Innenraum 4a des Hohlzylinders 4 angeordnet und an einer – hier nicht dargestellten – Halterung mit Absenkmechanismus befestigt. Dargestellt ist ferner eine ZnO-Schmelze 2 im Tiegel 1. Im Kegelbereich 1c des Tiegels 1 kann eine – in 1 nicht dargestellte – Edelmetallplatte mit Löchern eingebracht sein.
  • 2 zeigt eine andere Anordnungsvariante der Induktionsheizeinrichtung 3 in der – hier nicht dargestellten – Druckkammer 6. Die Induktionsheizeinrichtung 3 gemäß der Vorrichtung in 2 weist zwei separate, vertikal übereinander angeordnete Induktionsspulen 3a, eine obere Spule 3aa und einer untere Spule 3ab, auf. Zwischen der unteren Spule 3ab und der oberen Spule 3aa besteht ein Spulenabstand 3f.
  • Zur Herstellung eines Zinkoxid-Einkristalles wird der Tiegel 1 aus Iridium mit kalt gepresstem ZnO-Pulver hoher Reinheit (mindestens 99,99%) vollständig gefüllt. Der Tiegel 1 wird in den in der Druckkammer 6 befindlichen Hohlzylinder 4 eingebracht. Der Hohlzylinder 4 besteht ebenfalls aus Iridium.
  • Nun wird die Druckkammer 6 mit CO2 bis auf 1 × 105 Pa gefüllt, anschließend wird in die Druckkammer 6 Argon bis zu einem Druck von 17,5 × 105 Pa eingelassen. Danach wird mit dem Heizvorgang begonnen, wodurch der Gesamtdruck in der Druckkammer bis auf ca. 19 × 105 Pa steigt.
  • Der Tiegel 1 wird induktiv durch die Induktionsheizeinrichtung 3 erwärmt bis das darin befindliche ZnO-Pulver geschmolzen ist und als Zinkoxid-Schmelze 2 vorliegt. Die thermische Isolationsschicht 5 aus Al2O3-basierter Keramik, die den Hohlzylinder 4 und den Tiegel 1 vollständig umgibt, schützt die Induktionsspule 3a vor der im Hohlzylinder 4 induzierten Heizleistung.
  • Beim induktiven Heizen des Tiegels 1 wird der am unteren Ende befindliche Kegelbereich 1c mit einer geringeren Heizleistung beaufschlagt als der Zylinderbereich 1b des Tiegels 1, da der Kegelbereich 1c weiter von einer Innenwand 4b des Hohlzylinders 4 entfernt ist als der Zylinderbereich 1b des Tiegels 1. Durch Variation der Dicke einer Tiegelwand 1a, des Öffnungswinkels an der Tiegelspitze und der elektrischen Frequenz, mit der die Induktionsspule 3a betrieben wird, lässt sich ebenfalls die Verringerung der Heizleistung im Kegelbereich 1c des Tiegels 1 gegenüber der Heizleistung im Zylinderbereich 1b des Tiegels 1 einstellen. Im Hohlzylinder 4 wird das zur Züchtung benötigte Temperaturfeld erzeugt. Dies geschieht in der Weise, dass die im Hohlzylinder 4 erzeugte Heizleistung so eingestellt wird, dass die Temperatur, ausgehend vom Schmelzpunkt des Zinkoxid, über eine Länge von ca. 5 cm mit einem Gradienten von 1 K/cm bis 20 K/cm abfällt. Der im Innenraum 4a befindliche Tiegel 1 durchläuft dieses Temperaturfeld.
  • Das benötigte Temperaturfeld mit den geeigneten Gradienten lässt sich auch durch andere Induktionsspulenanordnungen erreichen. So ist in 2 die Verwendung zweier vertikal angeordneter Induktionsspulen 3aa und 3ab und in 1 eine durchgehende Induktionsspule 3a dargestellt. Die Heizleistung kann bei Verwendung nur einer Induktionsspule 3a durch Variation der Windungsabstände 3c, der Anzahl der Spulenwindungen 3b oder des Spulendurchmessers 3d eingestellt werden. Bei der Verwendung von mindestens zwei Induktionsspulen 3aa und 3ab (2) ist eine stufenlose Einstellung von Temperaturgradienten zwischen 1 K/min und 20 K/min dadurch möglich, dass in die obere Spule 3aa und die untere Spule 3ab die entsprechende elektrische Leistung zugeführt wird.
  • Die Leistung der Induktionsheizeinrichtung 3 wird kontinuierlich innerhalb einer Stunde auf ca. 80% derjenigen Heizleistung reduziert, die zum Aufschmelzen des ZnO benötigt wird. Beim Absenken der Heizleistung beginnt an dem zuerst erkaltenden Kegelbereich 1c des Tiegels 1 die Bildung von ZnO-Einkristallen.
  • Der Tiegel 1 wird während des Züchtungsprozesses im Hohlzylinder 4 vertikal nach unten bewegt und durchläuft so das Temperaturfeld. Als geeignete Kristallisationsgeschwindigkeiten haben sich Geschwindigkeiten von mindestens 0,1 mm/h bis 20 mm/h erwiesen.
  • Im Tiegel 1 wachsen ZnO-Einkristalle mit vorteilhaften Kantenlängen von über 1 cm.
  • Die Einkristallbildung kann zusätzlich dadurch unterstützt werden, dass vor dem Start des Züchtungsprozesses ein ZnO-Keim mit Kantenlängen von etwa 3 mm in den Kegelbereich 1c des Tiegels 1 eingesetzt wird.
  • Die Ausbildung parasitärer Keime lässt sich dadurch verhindern, dass im Kegelbereich 1c des Tiegels 1 eine Edelmetallplatte aus hochschmelzendem Metall mit Löchern geeigneter Größe platziert wird.
  • 1
    Tiegel
    1a
    Tiegelwand
    1b
    Zylinderbereich
    1c
    Kegelbereich
    2
    ZnO-Schmelze
    3
    Induktionsheizeinrichtung
    3a
    Induktionsspule
    3aa
    obere Spule
    3ab
    untere Spule
    3b
    Spulenwindung
    3c
    Windungsabstand
    3d
    Spulendurchmesser
    3e
    Spulenlänge
    3f
    Spulenabstand
    4
    Hohlzylinder
    4a
    Innenraum
    4b
    Innenwand
    4c
    Außenwand
    5
    thermische Isolationsschicht
    6
    Druckkammer
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 5900060 [0006]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - R. Helbig, „Über die Züchtung von größeren reinen und dotierten ZnO-Einkristallen aus der Gasphase, in: J. Cryst. Growth, Vol. 15, 1972, pp. 25–31 [0003]
    • - E. Ohshima, H. Ogino, I. Niikura, K. Maeda, M. Sato, M. Ito, T. Fukuda, "Growth of the 2-in-size bulk ZnO single crystals by the hydrothermal method" in: J. Cryst. Growth, Vol. 260, 2003, pp. 166–170 [0003]
    • - B. M. Wanklyn, "The growth of ZnO crystals from phosphate and vanadate fluxes" in: J. Cryst. Growth, vol. 7, Issue 1, July–August 1970, pp. 107–108 [0003]
    • - III-Vs Review, Vol. 12, No. 4 (1999), pp. 28–31 [0006]
    • - Nause & Nemeth, Semicond. Sci. Technol. 20 (2005) S. 45 bis 48 [0007]

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung von ZnO-Einkristallen aus einer Schmelze, bei dem pulverförmiges Zinkoxid, das sich in einen Tiegel aus hochschmelzendem Edelmetall befindet, mittels Induktionsheizung geschmolzen wird und bei einer Temperatur von mindestens 1700°C ein Gesamtdruck eines Gasgemisches aus Inertgas und Kohlendioxid von mindestens 5 × 105 Pa eingestellt und anschließend die ZnO-Schmelze definiert abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beheizung des ZnO enthaltenen Tiegels von außerhalb des Tiegels über eine induktiv betriebene Wärmequelle und eine definierte Abkühlung der ZnO-Schmelze im Tiegel durch Erzeugung von Temperaturgradienten erfolgt, indem eine Veränderung der Heizleistung der induktiv betriebenen Wärmequelle in Verbindung mit einer vertikalen Abwärtsbewegung des Tiegels entlang der Wärmequelle oder einer vertikalen Aufwärtsbewegung der Wärmequelle entlang des Tiegels durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung der induktiv betriebenen Wärmequelle innerhalb einer Stunde auf etwa 80% der Leistung gesenkt wird, die zum Aufschmelzen des pulverförmigen ZnO erforderlich ist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Wärmequelle über eine Länge von ca. 3 cm bis 7 cm Temperaturgradienten im Bereich von mindestens 1 K/cm bis 20 K/cm eingestellt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,1 mm/h und 20 mm/h vertikal nach unten bewegt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,1 mm/h und 20 mm/h relativ zum Tiegel vertikal nach oben bewegt wird.
  6. Vorrichtung zur Herstellung von Zinkoxid-Einkristallen, umfassend eine Druckkammer (6), in der ein Tiegel (1) aus hochschmelzendem Edelmetall, eine Induktionsheizeinrichtung (3) zum Beheizen des Tiegels (1) und ein Mittel zur thermischen Isolierung (5) angeordnet sind sowie ein Mittel zum Einstellen eines definierten Druckes eines Gemisches aus Inertgas und Kohlendioxid in der Druckkammer, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum (4a) eines in der Druckkammer (6) befindlichen Hohlzylinders (4) aus hochschmelzendem Edelmetall der Tiegel (1) angeordnet ist, dass zwischen Induktionsheizeinrichtung (3) und einer Außenwand (4c) des Hohlzylinders (4) eine thermische Isolationsschicht (5) angeordnet und dass der Tiegel (1) oder die Induktionsheizeinrichtung (3) vertikal bewegbar ausgeführt ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel (1) einen Zylinderbereich (1b) und einen Kegelbereich (1c) aufweist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsheizeinrichtung (3) eine Induktionsspule (3a) aufweist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsheizeinrichtung (3) eine Induktionsspule (3a) aufweist, deren Spulenlänge (3e) relativ zur Länge des Tiegels (1) mindestens das 1,5-fache beträgt.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsheizeinrichtung (3) eine inhomogene Induktionsspule (3a) aufweist, deren Windungsabstände (3c) zwischen den benachbarten Spulenwindungen (3b) der Induktionsspule (3a) ungleich sind.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsheizeinrichtung (3) eine inhomogene Induktionsspule aufweist, deren Spulendurchmesser (3d) bezogen auf die Spulenlänge (3e) ungleich ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Induktionsheizeinrichtung (3) mindestens zwei Induktionsspulen (3aa, 3ab) vorgesehen sind, wobei die Induktionsspulen in vertikaler Richtung angeordnet sind.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinder (4) aus Iridium besteht.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Isolationsschicht (5) aus Al2O3 oder ZrO2 besteht.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Kegelbereich (1c) des Tiegels (1) eine Metallplatte aus hochschmelzendem Edelmetall, die Löcher aufweist, angeordnet ist.
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