DE102012204313B3 - Verfahren und Vorrichtung zur gerichteten Kristallisation von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur gerichteten Kristallisation von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen

Info

Publication number
DE102012204313B3
DE102012204313B3 DE201210204313 DE102012204313A DE102012204313B3 DE 102012204313 B3 DE102012204313 B3 DE 102012204313B3 DE 201210204313 DE201210204313 DE 201210204313 DE 102012204313 A DE102012204313 A DE 102012204313A DE 102012204313 B3 DE102012204313 B3 DE 102012204313B3
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
heater
magnet
crucibles
9c
9a
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE201210204313
Other languages
English (en)
Inventor
Natascha Dropka
Christiane Frank-Rotsch
Mario Ziem
Ralph-Peter Lange
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungsverbund Berlin eV
Original Assignee
Forschungsverbund Berlin eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungsverbund Berlin eV filed Critical Forschungsverbund Berlin eV
Priority to DE201210204313 priority Critical patent/DE102012204313B3/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102012204313B3 publication Critical patent/DE102012204313B3/de
Application status is Active legal-status Critical
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL-GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • 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
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL-GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B30/00Production of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the action of electric or magnetic fields, wave energy or other specific physical conditions
    • C30B30/04Production of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the action of electric or magnetic fields, wave energy or other specific physical conditions using magnetic fields
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL-GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B35/00Apparatus in general, specially adapted for the growth, production or after-treatment of single crystals or a homogeneous polycrystalline material with defined structure

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein dazugehöriges Verfahren zur gerichteten Kristallisation von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie ein Heizer-Magnet-Modul aufweist, das mindestens zwei vertikal übereinander angeordnete und voneinander unabhängig in Heizleistung und Magnetfeldparametern ansteuerbare Heizer-Magnet-Spulen (5–7, 17–20) umfasst, wobei jede Heizer-Magnet-Spule (5–7, 17–20) mindestens eine Wicklung aufweist und die Heizer-Magnet-Spulen (5–7, 17–20) so zueinander angeordnet und ausgelegt sind, dass sie eine der Anzahl der Tiegel (9a, 9c) entsprechende Anzahl an Bereichen zur Aufnahme jeweils eines Tiegels (9a, 9c) bereitstellen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gerichteten Kristallisation von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen.
  • Stand der Technik
  • Die gegenwärtige Entwicklung in der Kristallzüchtung strebt vor allem eine Steigerung der Produktivität bei der Kristallisation aus der Schmelze an. Hierbei wird auch der Ansatz der Verwendung von mehreren Tiegeln innerhalb einer Kristallisationsanlage zur Durchsatzsteigerung verfolgt. Es existieren von mehreren Autoren verschiedene Ansätze zur Realisierung von Mehrfachtiegelanordnungen. Die bisher beschriebenen Verfahren basieren vor allem auf dem Ansatz, dass alle Tiegel von einem gemeinsamen äußeren Heizer umschlossen sind oder jeder Tiegel von einem eigenen, seitlich angeordneten Widerstandsheizer umschlossen ist.
  • JP 2000-203981 A beschreibt eine Vorrichtung, in der Tiegel separat über Widerstandsheizer in zylindrischer Form beheizt werden. Bei dieser Lösung befindet sich jeweils Isolationsmaterial um jeden Tiegel um eine thermische Wechselwirkung in den einzelnen Tiegeln zu vermeiden. Diese jeweils zylindrisch angeordneten thermisch isolierten Heizer liefern ein vorteilhaft symmetrisches Temperaturfeld in jeden Heizer. Nachteilig ist dabei, dass diese Heizanordnung energetisch sehr ineffizient ist, da jeder Teilheizer nur einen Tiegel beheizt. Bei dieser Anordnung erscheint es auch als nachteilig, dass durch den starken Einsatz von Isolationsmaterial die Anlage thermisch sehr träge wird; dies führt zu Einschränkungen von möglichen Aufheiz- und Kühlraten. Die Isolationsmaterialien stellen auch eine Verunreinigungsquelle dar und es wird nur ein „einziger” seitlicher Heizer beschrieben, der die Einstellung eines vertikalen Temperaturgradienten erschwert. Ferner kann der beschriebene Heizer kein Magnetfeld generieren, somit fehlt die Möglichkeit der Strömungsbeeinflussung auf die fest/flüssig Phasengrenzform.
  • P. Yang et al., J. Crystal Growth 236 (2002) 589, beschreiben eine Multitiegelanordnung aus 24 parallelen Containern zur gleichzeitigen Züchtung von Kristallen mit quadratischen Querschnitten bis zu 34 × 34 mm2. Diese werden ebenfalls gemeinsam aus einem konzentrischen Heizer abgesenkt. Wegen der Anordnung der Tiegel außerhalb der Heizerachse ergibt sich eine deutliche Durchbiegung der Isothermen und somit radiale Asymmetrie der Phasengrenzverläufe, zumal ein Heizer mit großem Durchmesser erforderlich ist.
  • Bekanntlich können instationäre Magnetfelder bei der Kristallzüchtung dazu genutzt werden eine Lorentzkraftströmung in die Schmelze einzukoppeln, die zu einer gezielten Durchbiegung der Phasengrenze ohne Anwendung einer homogenisierenden mechanischen Rotation führt. Untersuchungen zum vertikalen Gradientenverfahren (VGF) zur Züchtung von Halbleiterkristallen zeigten, dass bei der Anwendung magnetischer Wanderfelder besonders im Wandbereich die unerwünschte charakteristische Deformation (Konkavität) der Phasengrenze reduziert wird [s. z. B. P. Schwesig et al., J. Crystal Growth 266 (2004) 224]. Bekannt ist auch, dass in einem Heizer gleichzeitig Wärme und ein magnetisches Wander- bzw. Drehfeld erzeugt werden kann [P. Rudolph, J. Crystal Growth 310 (2008) 1298]. Zum Aufbau von sogenannten Heizer-Magnet-Modulen (HMM), die zur Erzeugung der Magnetfelder und gleichzeitig zum Heizen dienen, wird insbesondere DE 10349339 A1 , DE 10 2007 020 239 A1 , DE 10 2007 028 547 A1 und DE 10 2007 028 548 A1 verwiesen. Die Anwendung solcher Heizer-Magnet-Module könnte insbesondere bei Multicontaineranordnungen von hoher Wirtschaftlichkeit sein. Allerdings würde die Verwendung nur eines einzigen konzentrisch angeordneten Heizer-Magnet-Moduls, das nicht jeden einzelnen Tiegel umschließt und die Wärme und das Magnetfeld nur von der Peripherie bzw. aus dem Zentrum heraus in die Züchtungsbehälter einkoppelt, nicht ausreichen, um die thermische Asymmetrie abzubauen, da auch die Lorentzkräfte nur in jenem Randbereich der jeweiligen Schmelzsäule eingetragen wird, welcher der angesteuerten Spule des Heizer-Magnet-Moduls zugewendet ist.
  • DE 10 2007 026 298 A1 beschreibt eine Anordnung und Verfahren zur Herstellung eines Kristalls aus der Schmelze eines Rohmaterials. Die Anordnung zur Herstellung des Kristalls aus der Schmelze eines Rohmaterials umfasst einen Ofen, der ein oder mehrere Heizelemente aufweist, die zur Erzeugung eines in einer ersten Richtung gerichteten Temperaturfeldes in dem Ofen eingerichtet sind. Eine Vielzahl von Tiegeln zur Aufnahme der Schmelze ist nebeneinander in dem gerichteten Temperaturfeld angeordnet. Die Anordnung umfasst ferner eine Einrichtung zur Homogenisierung des Temperaturfelds in einer Ebene senkrecht zu der ersten Richtung. In dieser beschriebenen Vorrichtung werden konzentrische Heizer dargestellt, die auch als Magnetheizer ausgeführt sein können. Der Strom verläuft dabei in Kreisbahnen, entsprechend der Heizerform.
  • DE 10 2008 034 029 A1 beschreibt eine Vorrichtung und Verfahren zur Züchtung von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen in Mehrtiegelanordnung unter Nutzung der Möglichkeit Lorentzkräfte in elektrisch leitenden Schmelzen zu erzeugen. Die Mehrtiegelanordnung weist zylindrische Tiegel auf, die rotationssymmetrisch um eine innere Heizerspule angeordnet sind. Außen werden die Tiegel von einer gemeinsamen zylinderförmigen, konzentrisch angeordneten Heizspule umfasst. Mit der beschriebenen Anordnung ist die Einstellung homogener Magnetfelder in den einzelnen Tiegeln nicht möglich.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein oder mehrere Nachteile der bekannten Mehrtiegelanordnungen werden mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens beziehungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur gerichteten Kristallisation von Kristallen, vorzugsweise Einkristallen, aus elektrisch leitenden Schmelzen gelöst oder zumindest gemindert. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie ein Heizer-Magnet-Modul aufweist, das mindestens zwei vertikal übereinander angeordnete und voneinander unabhängig in Heizleistung und Magnetfeldparametern ansteuerbare Heizer-Magnet-Spulen umfasst, wobei jede Heizer-Magnet-Spule mindestens eine Wicklung aufweist und die Heizer-Magnet-Spulen so zueinander angeordnet und ausgelegt sind, dass sie eine der Anzahl der Tiegel entsprechende Anzahl an Bereichen zur Aufnahme jeweils eines Tiegels bereitstellen. Diese vertikal angeordneten Spulen können mit unterschiedlicher Windungsgestalt ausgeführt werden
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur gerichteten Kristallisation von Kristallen, insbesondere Einkristallen, aus elektrisch leitenden Schmelzen umfasst entsprechend die Verfahrensschritte:
    • (i) Bereitstellen der zuvor genannten Vorrichtung; und
    • (ii) Steuern der Heizleistung und der Magnetfeldparameter jeder Heizer-Magnet-Spule, derart, dass eine Kristallisation nach dem vertikalen Gradientenverfahren (VGF) erfolgt.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung beziehungsweise das dazugehörige Verfahren dient zur gerichteten Kristallisation von elektrisch leitenden Schmelzen in Mehrtiegelanordnungen. Insbesondere können Halbleiter-Einkristalle mit Hilfe des Verfahren beziehungsweise der Vorrichtung erzeugt werden. Die Kristallisation nach dem sogenannten vertikalen Gradientenverfahren (VGF) ist dabei die bevorzugte Methode. Die Vorrichtung und das Verfahren kann für Materialien mit elektrischen Leitfähigkeiten in einer breiten Größenordnung 10–108 S/m angewendet werden. Diese Vorrichtung ermöglicht eine simultane Kristallisation in mehreren Tiegeln, bei der sowohl eine gute thermische Homogenität in jedem Tiegel erreichbar ist und auch in jedem Tiegel ein Lorentzkraftdichtefeld in der Schmelze erzeugt wird. Die Erfindung ermöglicht die Erzeugung von nahezu gleichen Magnetfeldern in mehreren Tiegeln, wie bei Verwendung eines einzelnen Heizer-Magnet-Moduls, welches konzentrisch um einen Tiegel angeordnet ist. Die Homogenität der Magnetfeldeinkopplung basiert auf den Tiegelumfang verfolgenden Strombahnen.
  • Die Vorrichtung umfasst demnach eine Vielzahl horizontal verteilter Bereiche, die durch die Formgebung der Heizer-Magnet-Spulen vorgegeben sind und zur Aufnahme jeweils eines Tiegels dienen. In jedem Bereich finden sich wiederum in vertikaler Richtung aufeinander gestapelt zwei oder mehr Heizer-Magnet-Spulen. Eine Heizer-Magnet-Spule verläuft so, dass sie sich gleich über mehrere oder alle Bereiche, die zur Aufnahme der einzelnen Tiegel vorgesehen sind, erstreckt. Dies kann beispielsweise derart geschehen, dass die Heizer-Magnet-Spule eine Wicklung aufweist, deren einzelne Windungen gleich mehrere dieser Bereiche umlaufen. Denkbar ist auch, dass die Heizer-Magnet-Spule mehrere Wicklungen umfasst, deren Windungen jedoch jeweils nur einen Bereich umlaufen. Die einzelnen Wicklungen einer Heizer-Magnet-Spule sind miteinander verbunden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit insbesondere in zwei Ausführungsformen verwirklicht werden:
    Eine erste Ausführungsform zeigt eine Windungsform der Heizer-Magnet-Spulen, die der Kontur nebeneinander liegender Tiegel in mehreren Umläufen folgt, bei der also jede Windung der Wicklung der Heizer-Magnet-Spule der Kontur von zwei oder mehr oder allen Tiegeln folgt. Die Heizer-Magnet-Spulen weisen demnach vorzugsweise eine Wicklung auf, deren Windungen sich über zwei oder mehr Bereiche zur Aufnahme jeweils eines Tiegels erstrecken.
  • Gemäß einer ebenfalls bevorzugten, zweiten Ausführungsform weisen die Heizer-Magnet-Spulen Wicklungen auf, deren Windungen sich über nur einen Bereich zur Aufnahme eines Tiegels erstrecken. Jede Heizer-Magnet-Spule umgibt hier also ebenfalls mehrere Tiegel, aber die Spule windet sich nacheinander jeweils (schraubenförmig) um jeden dieser Tiegel.
  • Mit anderen Worten, die Heizer-Magnet-Spule wird erst um einen Tiegel gewickelt, dann um den daneben liegenden Tiegel usw. Bei der zweiten Ausführungsform weist die Heizer-Magnet-Spule demnach mehrere Wicklungen auf, die miteinander verbunden sind. Die Heizer-Magnet-Spulen des Heizer-Magnet-Moduls werden über eine gemeinsame Energieversorgung mit einer Kombination von Wechsel- und Gleichstrom versorgt. Bei der zuvor beschriebenen zweiten Ausführungsform können die Wicklungen in unterschiedlicher Weise elektrisch verbunden sein. Es ist eine Reihenschaltung oder eine Parallelschaltung möglich. Denkbar ist auch, Reihen- und Parallelschaltung zu kombinieren.
  • Vorzugsweise stehen die Zuleitungen für die Spulenanfänge und für die Spulenenden zentral in einer Achse des Heizer-Magnet-Moduls und damit außerhalb der zur Aufnahme der Tiegel vorgesehenen Bereiche. Hierdurch kann ein besonders kompakter Aufbau erreicht werden und unerwünschte Einflüsse der stromdurchflossenen Zuleitungen auf das Magnetfeld, das in den Tiegeln zur Steuerung des Kristallisationsvorgangs dient, minimiert werden.
  • Die Bereiche zur Aufnahme der Tiegel werden vorzugsweise um eine gemeinsame Symmetrieachse angeordnet; dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Die Anordnung der Bereiche erfolgt in der Regel unter dem Gesichtspunkt einer optimalen Platzausnutzung innerhalb der Züchtungsapparatur.
  • Die Form der Wicklung der Heizer-Magnet-Spulen ist variable und legt die Kontur des zur Aufnahme des Tiegels vorgesehenen Bereichs fest. Die Heizer-Magnet-Spulen weisen in dem zur Aufnahme des Tiegels vorgesehenen Bereich eine zylindrische oder polyedrische, insbesondere hexagonale oder pentagonale Form auf. Polyedrisch geformte Heizer-Magnet-Spulen können sehr effizient und platzsparend räumlich angeordnet werden, etwa entsprechend dem Prinzip von Honigwaben. Zylinderförmige Heizer-Magnet-Spulen erweisen sich bei Einsatz von Tiegeln mit runder Querschnittsform als besonders geeignet zur Einstellung einer symmetrischen Wärmeverteilung in der Schmelze.
  • Im Falle der Verwendung einer geraden Anzahl von Tiegeln wird durch Vorgabe der Stromrichtung sichergestellt, dass sich die Magnetfelder in den Schmelzen benachbarter Tiegel nicht reduzieren oder auslöschen. Wird ein Aufbau mit ungerader Tiegelanzahl gewählt, ist der Abstand zwischen den Wicklungen der Heizer-Magnet-Spulen benachbarter Bereiche, die zur Aufnahme der Tiegel vorgesehen sind, so groß zu wählen, dass eine Wechselwirkung vernachlässigbar wird.
  • Die vorgeschlagene Vorrichtung und das dazugehörige Verfahren ermöglicht die Erzeugung von symmetrischen Temperatur- und Magnetfeldern in allen verwendeten Tiegeln, ohne dabei die bekannten Freiheitsgrade bei der Einstellung von magnetfeldrelevanten Parametern für Heizer-Magnet-Module, wie Frequenz, Phasenverschiebung und Stromstärke zu verlieren. Die Verwendung von mehreren, vertikal übereinander positionierten Heizer-Magnet-Spulen hat den weiteren Vorteil, dass für die Einstellung der thermischen Gradienten in den Schmelztiegeln auch in vertikaler Richtung mehr Freiheitsgrade bestehen. Die Vorrichtung und das Verfahren ermöglicht die Einstellung von symmetrischen ebenen beziehungsweise konvexen fest/flüssig Phasengrenzen bei der Kristallisation. Die Magnetfeldwirkung auf die Schmelzen ist in allen Tiegeln vergleichbar. Unter Nutzung der vorgeschlagenen Vorrichtung und des dazugehörigen Verfahrens ist die zeitgleiche Herstellung von Material gleicher Qualität in mehreren Tiegeln möglich.
  • Die Vorrichtung kann weitere Heiz- oder Kühlelemente aufweisen, die den uniaxialen Wärmetransport in den Schmelzen unterstützen, zum Beispiel können Decken- oder Bodenheizer vorhanden sein. Die Decken- und Bodenheizer können auch als Heizer-Magnet-Module ausgeführt werden, was insbesondere für die Züchtung von längeren Kristallen durch Einfluss von radial und vertikal gerichteten Lorentzkräften in der Schmelze vorteilhaft ist.
  • Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung beziehungsweise des dazugehörigen Verfahrens können die Betriebskosten, insbesondere für Energie und Personal, verringert werden. Die Nutzung einer gemeinsamen Ansteuerung (Hard- und Software) für die gekoppelten Heizer-Magnet-Module führt zu einer Verringerung der Investitionskosten für eine spezifische Anlage. Alle Vorteile eines Heizer-Magnet-Moduls zur gezielten Beeinflussung der Schmelzkonvektion bei der Kristallisation aus elektrisch leitenden Schmelzen können genutzt werden und es bestehen hohe Freiheitsgrade bei der Gestaltung der Querschnittsform von Tiegeln und Heizer-Magnet-Modulen.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen oder der nachfolgenden Beschreibung.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 Eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 2 Eine Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels gemäß 1.
  • 3 Eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß 1.
  • 4 Ein Blockschaltbild zur Illustration der Reihenschaltung von Wicklungen der Heizer-Magnet-Spulen des Ausführungsbeispiels gemäß 1.
  • 5 Eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 6 Eine Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels gemäß 5.
  • 7 Eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß 5.
  • 8 Ein Blockschaltbild zur Illustration der Parallelschaltung von Wicklungen der Heizer-Magnet-Spulen des Ausführungsbeispiels gemäß 5.
  • 9 Eine perspektivische Darstellung der berechneten magnetischen Flussdichteverteilungen in GaAs-Schmelzen bei einer Vorrichtung gemäß 5.
  • 10 wie 9, jedoch als Draufsicht auf die GaAs-Schmelzen.
  • 11 Eine Darstellung der berechneten Lorentzkraft-Dichteverteilung in GaAs-Schmelzen bei einer Vorrichtung gemäß 5.
  • 12a)–l) Schematische Draufsichten auf verschiedene Ausführungsbeispiele der Vorrichtung zur Illustration der Möglichkeiten der Anordnung und Querschnittsgebung der Bereiche des Heizer-Magnet-Moduls, die zur Aufnahme der einzelnen Tiegel dienen.
  • 13 Eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 14 Eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 15 Eine perspektivische Darstellung der berechneten magnetischen Flussdichteverteilungen in GaAs-Schmelzen bei einer Vorrichtung mit einem Heizer-Magnet-Modul gemäß 14.
  • 16 Eine Darstellung der berechneten Lorentzkraft-Dichteverteilung in GaAs-Schmelzen bei einer Vorrichtung mit einem Heizer-Magnet-Modul gemäß 14.
  • 17 Eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 18 Eine Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels gemäß 17.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer „wabenförmigen” Viertiegelanordnung der Heizer-Magnet-Spulen des Heizer-Magnet-Moduls. Die Vorrichtung umfasst also vier zentrosymmetrisch angeordnete Bereiche des Heizer-Magnet-Moduls, die jeweils durch vertikal übereinander angeordnete Heizer-Magnet-Spulen vorgegeben werden und in denen jeweils ein Tiegel angeordnet wird (nicht dargestellt). Konkret weist jeder der vier Bereiche des Heizer-Magnet-Moduls eine untere Heizer-Magnet-Spule, mittlere Heizer-Magnet-Spule und obere Heizer-Magnet-Spule auf. Die untere Heizer-Magnet-Spule umfasst insgesamt vier Wicklungen 5a bis 5d, die elektrisch miteinander verbunden sind. Jede Wicklung 5a bis 5d beinhaltet mehrere Windungen der Heizer-Magnet-Spule. Analog ist der Aufbau der mittleren Heizer-Magnet-Spule mit ihren Wicklungen 6a bis 6d sowie der oberen Heizer-Magnet-Spule mit ihren Wicklungen 7a bis 7d. In einem ersten Abschnitt des Heizer-Magnet-Moduls ist also ein erster Tiegel dann von den Wicklungen 5a, 6a, 7a der unteren, mittleren und oberen Heizer-Magnet-Spulen umgeben. In vertikaler Richtung weist ein jeder Bereich des Heizer-Magnet-Moduls, der einen Tiegel aufnimmt, somit drei aufeinander folgende Heizer-Magnet-Spulen auf. Für die Versorgung der unteren, mittleren und oberen Heizer-Magnet-Spulen mit Wechselspannung sind jeweils separate Anschlüsse 1 bis 3 vorgesehen, wobei die Wicklungen einer Heizer-Magnet-Spule in Reihe geschaltet sind (Sternpunkte 4).
  • Den 2 und 3 ist eine Schnittdarstellung und Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß 1 zu entnehmen.
  • 4 ist ein Blockschaltbild der Reihenschaltung der Wicklungen 5a bis 5d, 6a bis 6d und 7a bis 7b der jeweiligen Heizer-Magnet-Spulen des Ausführungsbeispiels.
  • Den 5 bis 7 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer „wabenförmigen” Viertiegelanordnung der Heizer-Magnet-Spulen des Heizer-Magnet-Moduls in perspektivischer Ansicht, Schnittdarstellung und Draufsicht zu entnehmen. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 erfolgt hier eine Versorgung der Wicklungen 5a bis 5d, 6a bis 6d und 7a bis 7b der jeweiligen Heizer-Magnet-Spulen über die Anschlüsse 1 bis 3 in Parallelschaltung (siehe auch 8 mit einer schematischen Darstellung des entsprechenden Blockschaltbilds).
  • In den 9 und 10 findet sich eine Darstellung der berechneten magnetischen Flussdichteverteilung in GaAs-Schmelzen bei einer Vorrichtung gemäß 5. Die Tiegel haben jeweils einen Durchmesser von 10,16 cm (4 Zoll) und die der Berechnung zugrundeliegenden Magnetfeldparameter waren f = 200 Hz und Δφ = 90°, abwärtsgerichtet. Eine entsprechende Lorentzkraftdichteverteilung wiederum bei Tiegeln mit 10,16 cm (4 Zoll) Durchmesser und mit den Magnetfeldparametern f = 10 Hz und Δφ = 90°, abwärtsgerichtet ist der 11 zu entnehmen.
  • Den 12a) bis 12l) sind eine Vielzahl von schematischen Draufsichten auf verschiedene Ausführungsbeispiele der Vorrichtung zur Illustration der Möglichkeiten der Anordnung und Querschnittsgebung der einzelnen Bereiche des Heizer-Magnet-Moduls, die zur Aufnahme der einzelnen Tiegel dienen, zu entnehmen.
  • So zeigt die in 12a) dargestellte Ausführungsform schematisch eine Vorrichtung mit hexagonalen Heizer-Magnet-Spulen, die zentrosymmetrisch angeordnet sind (wabenförmige Anordnung). Weitere Vorrichtungen mit hexagonalen Heizer-Magnet-Spulen lassen sich den Ausführungsbeispielen c), e) und k) entnehmen. Wie aus dem Ausführungsbeispiel k) ersichtlich, ist es nicht zwingend notwendig, alle Heizer-Magnet-Spulen zentrosymmetrisch um eine gemeinsame Symmetrieachse anzuordnen.
  • Ausführungsbeispiele mit pentagonalen Heizer-Magnet-Spulen sind den Darstellungen der 12b), d) und f) zu entnehmen, während die Heizer-Magnet-Spulen der Ausführungen gemäß 12g), h) und j) eine quadratische Außenkontur besitzen. Schließlich illustrieren die Beispiele e) und l) Heizer-Magnet-Spulen mithohlzylindrischer Gestalt.
  • Der 13 ist eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu entnehmen. Der Schnitt wurde hier so gelegt, dass er durch zwei Abschnitte des Heizer-Magnet-Moduls verläuft, in denen die Tiegel 9a, 9c angeordnet sind, also die Vorrichtung insgesamt vier Tiegel aufweist. Die Tiegel 9a, 9c sind jeweils von drei vertikal übereinander angeordneten Heizer-Magnet-Spulen umgeben. Die unterste der Heizer-Magnet-Spulen umfasst die Wicklungen 5a, 5c, die mittlere Heizer-Magnet-Spule die Wicklungen 6a, 6c und obere Heizer-Magnet-Spule die Wicklungen 7a, 7c. Über die Anschlüsse 1 bis 3 erfolgt ein Anschluss einer Energieversorgungseinheit 14, deren Betrieb mit Hilfe einer Ansteuerung 15 zur Regelung von Temperatur und Magnetfeld beeinflusst wird. Weiterhin umfasst die Vorrichtung optional ein Bodenheizelement 13 und ist von einem Anlagenkessel 11 umgeben. Temperatur und Magnetfelder werden in den einzelnen Heizer-Magnet-Spulen derart vorgegeben, dass eine Kristallisation der elektrisch leitfähigen Schmelze in den Tiegeln 9a und 9c nachdem sogenannten vertikalen Gradientenverfahren erfolgt. Mit anderen Worten, in den Tiegeln 9a, 9c wächst ein Kristall 10a, 10c von der Bodenseite in Richtung der Schmelzen 8a, 8c.
  • 14 ist ein Heizer-Magnet-Modul zu entnehmen, dass in vertikaler Richtung eine untere Heizer-Magnet-Spule 5, eine mittlere Heizer-Magnet-Spule 6 und eine obere Heizer-Magnet-Spule 7 umfasst. Die einzelnen Heizer-Magnet-Spulen 5, 6, 7 sind in drei Bereiche gegliedert, die jeweils einen Tiegel (nicht dargestellt) aufnehmen. Eine Windung der Heizer-Magnet-Spulen 5, 6, 7 umläuft alle drei Bereiche zur Aufnahme der Tiegel, folgt also den Konturen aller drei Tiegel bevor die nächste Windung der Heizer-Magnet-Spule 5, 6, 7 folgt. Demnach umgreift die Wicklung einer Heizer-Magnet-Spule in diesem Ausführungsbeispiel alle für die Aufnahme der Tiegel vorgesehenen Bereiche des Heizer-Magnet-Moduls, wobei des den Konturen der Tiegel folgt (hier sollen zylindrische Tiegel Einsatz finden). Durch diese kleeblattförmige Dreitiegelanordnung lässt sich eine besonders kompakte Bauform der Vorrichtung realisieren. Weitere Vorteile dieser Ausführungsform bestehen darin, dass sich die i) Übergänge zwischen den einzelnen Windungen der Heizer-Magnet-Spulen außerhalb der den Tiegeln umgebenden Bereiche der Heizer-Magnet-Spulen befinden und ii) dass die Zuleitungen für die Spulenanfänge und für die Spulenenden zentral zur Achse des Heizer-Magnet-Moduls stehen und sich dadurch die Störungen im Magnetfeld in der Schmelze vermeiden und damit homogenere Lorentzkraftdichteverteilungen in den Schmelztiegel einstellen lassen.
  • 15 ist eine perspektivische Darstellung der berechneten magnetischen Flussdichteverteilung in GaAs-Schmelzen bei einer Vorrichtung mit einem Heizer-Magnet-Modul gemäß 14 zu entnehmen. Die einzelnen Tiegel, die der Berechnung zugrunde lagen, besitzen einen Durchmesser von jeweils 4 Zoll, die Magnetfeldparameter sind f = 20 Hz und Δφ = 90°, abwärtsgerichtet. Eine entsprechende Darstellung der berechneten Lorentzkraftdichteverteilung ist 16 zu entnehmen.
  • 17 ist eine perspektivische Darstellung und 18 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung mit kleeblattförmiger Viertiegelanordnung zu entnehmen. Das Heizer-Magnet-Modul umfasst in vertikaler Richtung vier Heizer-Magnet-Spulen 17 bis 20. Die einzelnen Heizer-Magnet-Spulen sind in vier Bereiche gegliedert, die jeweils einen Tiegel umfassen. Jede Windung der Heizer-Magnet-Spulen 17 bis 20 umläuftjeweils alle vier Bereiche. Die Vorteile dieser Ausführungsform sind ähnlich zur kleeblattförmigen Dreitiegelanordnung der 14, insbesondere die Position der Zuleitungen für den Spulenanfang 19a, 20a und für das Spulenende 19b, 20b ist besonders günstig.

Claims (7)

  1. Vorrichtung zur gerichteten Kristallisation von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen, die sich in zwei oder mehr in einer gemeinsamen Züchtungskammer angeordneten Tiegeln (9a, 9c) befinden, wobei die Vorrichtung ein Heizer-Magnet-Modul aufweist, das mindestens zwei vertikal übereinander angeordnete und voneinander unabhängig in Heizleistung und Magnetfeldparametern ansteuerbare Heizer-Magnet-Spulen (57, 1720) umfasst, wobei jede Heizer-Magnet-Spule (57, 1720) mindestens eine Wicklung aufweist und die Heizer-Magnet-Spulen (57, 1720) so zueinander angeordnet und ausgelegt sind, dass sie eine der Anzahl der Tiegel (9a, 9c) entsprechende Anzahl an Bereichen zur Aufnahme jeweils eines Tiegels (9a, 9c) bereitstellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizer-Magnet-Spulen (57, 1720) in den Bereichen zur Aufnahme der Tiegel (9a, 9c) eine zylindrische oder polyedrische Form besitzen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Heizer-Magnet-Spulen (57, 1720) eine Wicklung aufweisen, deren Windungen sich über zwei oder mehr Bereiche zur Aufnahme jeweils eines Tiegels (9a, 9c) erstrecken.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Heizer-Magnet-Spulen Wicklungen aufweisen, deren Windungen sich über nur einen Bereich zur Aufnahme eines Tiegels (9a, 9c) erstrecken.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Wicklungen einer Heizer-Magnet-Spule durch Reihenschaltung, Parallelschaltung oder eine Kombination derselben miteinander verbunden sind.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Zuleitungen für die Spulenanfänge und für die Spulenenden zentral in einer Achse des Heizer-Magnet-Moduls und außerhalb der zur Aufnahme der Tiegel (9a, 9c) vorgesehenen Bereiche stehen.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Bereiche zur Aufnahme der Tiegel (9a, 9c) um eine gemeinsame Symmetrieachse angeordnet sind.
  7. Verfahren zur gerichteten Kristallisation von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen, das die Verfahrensschritte umfasst: (i) Bereitstellen einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und (ii) Steuern der Heizleistung und der Magnetfeldparameter jeder Heizer-Magnet-Spule (57, 1720), derart, dass eine Kristallisation nach dem vertikalen Gradientenverfahren (VGF) erfolgt.
DE201210204313 2012-03-19 2012-03-19 Verfahren und Vorrichtung zur gerichteten Kristallisation von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen Active DE102012204313B3 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE201210204313 DE102012204313B3 (de) 2012-03-19 2012-03-19 Verfahren und Vorrichtung zur gerichteten Kristallisation von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE201210204313 DE102012204313B3 (de) 2012-03-19 2012-03-19 Verfahren und Vorrichtung zur gerichteten Kristallisation von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102012204313B3 true DE102012204313B3 (de) 2013-06-13

Family

ID=48465024

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE201210204313 Active DE102012204313B3 (de) 2012-03-19 2012-03-19 Verfahren und Vorrichtung zur gerichteten Kristallisation von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102012204313B3 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014202284A1 (de) * 2013-06-21 2014-12-24 Forschungsverbund Berlin E.V. Kristallisationsanlage und kristallisationsverfahren zur kristallisation aus elektrisch leitenden schmelzen sowie über das verfahren erhältliche ingots

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008034029A1 (de) * 2008-07-17 2010-01-21 Forschungsverbund Berlin E.V. Vorrichtung und Verfahren zur Züchtung von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen in Mehrtiegelanordnungen

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008034029A1 (de) * 2008-07-17 2010-01-21 Forschungsverbund Berlin E.V. Vorrichtung und Verfahren zur Züchtung von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen in Mehrtiegelanordnungen

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014202284A1 (de) * 2013-06-21 2014-12-24 Forschungsverbund Berlin E.V. Kristallisationsanlage und kristallisationsverfahren zur kristallisation aus elektrisch leitenden schmelzen sowie über das verfahren erhältliche ingots

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5116456A (en) Apparatus and method for growth of large single crystals in plate/slab form
JP4533398B2 (ja) 単結晶または多結晶材料、特に多結晶シリコンの製造装置及び製造方法
US6535092B1 (en) Device for generating a variable magnetic field
SU1433420A3 (ru) Холодный тигель
US4687646A (en) Cold crucible for melting and crystallizing non-metallic inorganic compounds
KR100810467B1 (ko) 결정 성장 장비
CN100360441C (zh) 熔炼或提纯玻璃或玻璃陶瓷的渣壳式坩埚
JP2004506587A (ja) ガラスを清澄するための方法および装置
KR20110025716A (ko) 사파이어 단결정 성장방법과 그 장치
EP2491169B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur gewinnung eines polykristallinen halbleitermaterials, im besonderen silizium
JP4773340B2 (ja) 半導体単結晶製造装置
CN102011173B (zh) 蓝宝石单晶生长设备
DE102010048297A1 (de) Energetisch effiziente Hochtemperaturläuterung
FR2510616A1 (fr) Appareil de production de corps cristallins tubulaires
JPWO2009069773A1 (ja) 石英ガラスルツボの製造方法および製造装置
JP2012038622A (ja) 誘導加熱装置および誘導加熱方法
US5394825A (en) Method and apparatus for growing shaped crystals
KR100954291B1 (ko) 고품질의 반도체 단결정 잉곳 제조장치 및 방법
JP2000290096A (ja) 結晶シリコン製造装置
EP2142686B1 (de) Verfahren zur herstellung eines einkristalls
WO2012067372A2 (en) Sapphire ingot grower
CA1290654C (en) Monocrystal growing apparatus
KR101048831B1 (ko) 단결정 제조용 흑연 히터 및 단결정 제조장치와 단결정 제조방법
JP2561072B2 (ja) 単結晶の育成方法及びその装置
JP2754163B2 (ja) 高周波誘導加熱コイル

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final

Effective date: 20130914