DE102020114524A1

DE102020114524A1 - Verfahren und aufbau zum züchten von volumeneinkristallen

Info

Publication number: DE102020114524A1
Application number: DE102020114524.1A
Authority: DE
Inventors: Christo Guguschev; Mario Brützam; Darrell Schlom; Hanjong Paik
Original assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV; Center for Technology Licensing at Cornell University
Current assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV; Center for Technology Licensing at Cornell University
Priority date: 2019-05-29
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2020-12-03
Also published as: US20200378030A1; KR20200138082A; KR102500103B1; US11591712B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Züchten eines Volumeneinkristalls, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst- Einbringen eines Ausgangsmaterials in einen Tiegel,- Schmelzen des Ausgangsmaterials im Tiegel durch Erhitzen des Ausgangsmaterials,- Anordnen eines wärmeisolierenden Deckels in einem Abstand über einer Schmelzoberfläche der Schmelze derart, dass zumindest ein zentraler Teil der Schmelzoberfläche durch den Deckel abgedeckt wird, und- Züchten des Volumeneinkristalls aus der Schmelze durch steuerbares Abkühlen der Schmelze mit dem über der Schmelzoberfläche angeordneten wärmeisolierenden Deckel.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Züchtungsverfahren und einen Züchtungsaufbau zum Züchten eines Volumeneinkristalls und deren Verwendungen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Zur Herstellung von elektronischen Bauelementen wird oft ein Stapel von Kristallschichten Schicht für Schicht auf einem Einkristallsubstrat aufgewachsen. Um die Kristallschichten als epitaktische Filme mit einer wohldefinierten kristallographischen Orientierung in Bezug auf das Einkristallsubstrat zu züchten, ist es typischerweise erforderlich, dass der Gitterparameter des Substrats mit den entsprechenden Gitterparametern der Kristallschichten kompatibel ist.
Zur Herstellung eines elektronischen Bauelements muss daher typischerweise ein geeignetes Einkristallsubstrat ausgewählt werden, das einen Gitterparameter aufweist, der annähernd - z.B. mit Gitteranpassung besser als 1 % - mit den Gitterparametern der auf dem Substrat zu züchtenden Kristallschichten übereinstimmt.
Eine weit verbreitete Technik zum Züchten von Volumeneinkristallen, aus denen Einkristallsubstrate hergestellt werden können, ist das Czochralski-Verfahren. Beim Czochralski-Verfahren wird ein Ausgangsmaterial in einem Tiegel geschmolzen und ein Impfkristall in die Schmelze getaucht. Um einen Volumeneinkristall zu züchten, wird der Impfkristall gedreht und gleichzeitig langsam nach oben gezogen. Dadurch können große Volumeneinkristalle in Form von zylindrischen Blöcken aus einem Halbleitermaterial bzw. Ingots oder Halbleiterbarren bzw. Boules gezüchtet und anschließend z.B. zu Substraten verarbeitet werden, die in der Elektronikindustrie zur Herstellung von elektronischen Geräten verwendet werden können. Das Czochralski-Verfahren funktioniert jedoch nicht für alle Materialien.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der Erfindung ist es, ein alternatives Verfahren zum Züchten eines Volumeneinkristalls und einen alternativen Züchtungsaufbau zum Züchten eines Volumeneinkristalls bereitzustellen.
Bezüglich dem Züchtungsverfahren wird dieses Ziel durch ein Verfahren zum Züchten eines Volumeneinkristalls erreicht, das die folgenden Schritte umfasst

- Einbringen eines Ausgangsmaterials in einen Tiegel
- Schmelzen des Ausgangsmaterials im Tiegel durch Erhitzen des Ausgangsmaterials
- Anordnen eines wärmeisolierenden Deckels in einem Abstand über einer Schmelzoberfläche der Schmelze derart, dass zumindest ein zentraler Teil der Schmelzoberfläche durch den Deckel abgedeckt wird, und
- Züchten des Volumeneinkristalls aus der Schmelze durch steuerbares Abkühlen der Schmelze mit dem über der Schmelzoberfläche angeordneten wärmeisolierenden Deckel.

Von diesen Verfahrensschritten kann der Schritt „Anordnen eines wärmeisolierenden Deckels“ vor dem Schmelzen des Ausgangsmaterials zu einer Schmelze oder während des Schmelzens des Ausgangsmaterials zu einer Schmelze oder nach dem Schmelzen des Ausgangsmaterials zu einer Schmelze durchgeführt werden. Es ist jedoch erforderlich, dass der wärmeisolierende Deckel während des Wachstums des Volumeneinkristalls aus der Schmelze über der Schmelze angeordnet wird.
Im Rahmen dieser Erfindung ist ein Volumeneinkristall ein Einkristall mit einem Volumen von mindestens 5 mm × 5 mm × 5 mm (Länge × Breite × Höhe).
Der wärmeisolierende Deckel ist zum Blockieren von Wärmestrahlung ausgebildet, die zumindest von dem Teil der Schmelzoberfläche emittiert wird, der vom wärmeisolierenden Deckel abgedeckt wird. Da der wärmeisolierende Deckel in einem Abstand über der Schmelzoberfläche der Schmelze angeordnet ist, kann eine Temperaturverteilung in der im Tiegel befindlichen Schmelze beeinflusst werden. Durch das Anordnen des wärmeisolierenden Deckels über der Schmelzoberfläche ist es somit möglich, die Temperaturverteilung in der Schmelze zu gestalten.
Die Erfindung beinhaltet die Erkenntnis, dass für die Herstellung elektronischer Bauelemente typischerweise einkristalline Substrate mit Standardwafergrößen, z.B. 5 mm × 5 mm oder 10 mm × 10 mm oder 1-Zoll-, 2-Zoll-, 3-Zoll-, 4-Zoll-, 6-Zoll- und 8-Zoll-Wafer, benötigt werden, die chemisch stabil sind, die mit den auf dem Substrat zu züchtenden Kristallschichten strukturell kompatibel sind und die eine gute Strukturqualität aufweisen. Insbesondere die Anforderung einer guten Strukturqualität des Einkristallsubstrats kann bei bestimmten Substratmaterialien schwer zu erfüllen sein. Eine gute Strukturqualität des Substrats ist jedoch erforderlich, um darauf Kristallschichten mit ebenfalls hoher Kristallqualität züchten zu können und damit Defekte zu verhindern, die die Funktionalität der Schicht beeinträchtigen würden.
Für diverse Materialien ist jedoch kein geeignetes Einkristallsubstrat mit hoher Strukturqualität verfügbar. Dies hat zur Folge, dass viele Materialien mit vorteilhaften Materialeigenschaften bisher in der Elektronikindustrie nicht eingesetzt werden. Tatsächlich stellt die Verfügbarkeit von geeigneten Einkristallsubstraten für die Herstellung von elektronischen Geräten oft ein wesentliches Nadelöhr dar.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Züchten eines Volumeneinkristalls können Volumeneinkristalle mit hoher Strukturqualität gezüchtet werden, die eine Größe haben, die die Herstellung von Einkristallsubstraten in Standardwafergrößen ermöglichen.
Es ist ein besonderer Vorteil des Verfahrens, dass auch solche Volumeneinkristalle auf eine bequeme Art und Weise gezüchtet werden können, die mit dem weit verbreiteten Czochralski-Verfahren nicht einfach zu züchten sind. Solche Volumeneinkristalle, die nicht einfach in einem Czochralski-Prozess gezüchtet werden können, z.B. Oxidkristalle, die bei hohen Temperaturen eine intensive Infrarotabsorption und sehr geringe Wärmeleitfähigkeit zeigen, leiden typischerweise unter Wachstumsinstabilitäten wie z.B. Durchmesserschwankungen, Fußbildung (engl. foot formation) bzw. ein laterales Wachstum über die Schmelzoberfläche und anschließender Spiralisierung (engl. spiraling) kurz nach der Impfphase in einem Czochralski-Prozess.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Züchten eines Volumeneinkristalls gewährt somit Zugang zum Herstellen von Einkristallsubstraten aus Materialien, die der Elektronikindustrie bisher nicht in geeigneter Größe und benötigter Strukturqualität zur Verfügung standen. Als vorteilhafte Folge dieser Erfindung werden zusätzliche Einkristallsubstrate verfügbar werden, auf denen Kristallschichten gezüchtet werden können, die aus Materialien sind, für die der Elektronikindustrie bisher kein strukturell und chemisch kompatibles Substrat zur Verfügung stand.
Dies wird dadurch erreicht, dass der wärmeisolierende Deckel in einem Abstand über der Schmelze angeordnet wird, um den Volumeneinkristall zu züchten. Durch das Anordnen des wärmeisolierenden Deckels derart, dass zumindest ein zentraler Teil der Schmelzoberfläche durch den Deckel abgedeckt wird, wird eine Wärmeisolation erreicht, die die von der Schmelzoberfläche emittierte Wärmestrahlung blockiert und damit die Temperaturverteilung in der im Tiegel befindlichen Schmelze beeinflusst und gestaltet. Mit Hilfe des wärmeisolierenden Deckels kann die Temperaturverteilung in der Schmelze während des Wachstums des Volumeneinkristalls aus der Schmelze gesteuert werden. Durch Beeinflussen der Temperaturverteilung in der Schmelze mit Hilfe des wärmeisolierenden Deckels kann aus der Schmelze ein Volumeneinkristall mit hoher Strukturqualität und einer zum Herstellen von Einkristallsubstraten mit Standardwafergrößen geeigneten Größe gezüchtet werden.
Dadurch, dass der wärmeisolierende Deckel während des Züchtens des Volumeneinkristalls so angeordnet wird, dass zumindest ein zentraler Teil der Schmelzoberfläche vom Deckel abgedeckt wird, wächst der Volumeneinkristall in Richtung des zentralen Teils des Tiegels. Während des steuerbaren Abkühlens der Schmelze keimen Schmelzkristalle an der Tiegelwand und Kornauswahl und kontinuierliche Kornvergrößerung schreitet voran, während sich die Wachstumsfront zum zentralen Teil des Tiegels hin bewegt.
Dieses Wachstumsverhalten steht im Gegensatz zu dem, was allgemein bekannt ist und daher für das Wachstum von Volumeneinkristallen mit allgemein bekannten Züchtungsverfahren - wie dem weit verbreiteten Czochralski-Verfahren - erwartet wird, bei dem der Volumeneinkristall vom zentralen Teil des Tiegels zur Tiegelwand hin wächst, ohne diese während des gesamten Wachstumsprozesses zu berühren.
Im Folgenden werden bevorzugte Varianten des Verfahrens zum Züchten eines erfindungsgemäßen Einkristalls beschrieben.
Vorzugsweise wird das Abkühlen der Schmelze passiv gesteuert, indem die von einem Heizelement bereitgestellte Wärme über eine vordefinierte Zeitspanne reduziert wird. So kann z.B. die von einem Generator an das Heizelement gelieferte Leistung kontinuierlich oder stufenweise über eine vordefinierte Zeitspanne so reduziert werden, dass die in den Tiegel eingekoppelte Wärme abnimmt. Dabei kühlt die Schmelze ab und der Volumeneinkristall wächst von der Tiegelwand in Richtung des zentralen Teils des Tiegels. Die Abkühlgeschwindigkeit der Schmelze wird bestimmt durch den Wärmeverlust aus dem Tiegel und der Schmelze über die Zeit, dem Material, aus dem der Tiegel hergestellt ist, der Tiegelgeometrie sowie der Geometrie des wärmeisolierenden Deckels und der allgemeinen Wärmeisolierung dicht beim Tiegel. Die vordefinierte Zeitspanne, über die die bereitgestellte Wärme reduziert wird, kann z.B. 10 bis 50 Stunden betragen.
Zusätzlich oder alternativ zum passiv gesteuerten Abkühlen der Schmelze kann das Abkühlen auch aktiv gesteuert werden. Das aktive Abkühlen kann z.B. dadurch realisiert werden, dass ein Inertgasstrom, z.B. ein Argongasstrom, auf die Schmelze geleitet wird. Aktives Abkühlen beinhaltet zum Beispiel das Einsetzen eines Sensors in einer Rückkopplungsschleife, z.B. eines Temperatursensors zum Messen der lokalen Temperatur nahe der Oberfläche der Schmelze. Der Vorteil besteht darin, dass aktives und automatisiertes abkühlen z.B. in einer Rückkopplungsschleife auf der Grundlage eines Parameters, der mit einem entsprechenden Sensor wiederholt gemessen wird, gesteuert und angepasst werden kann.
Es ist bevorzugt, dass der Abstand, in dem der wärmeisolierende Deckel über der Schmelzoberfläche der Schmelze angeordnet ist, zwischen 1 mm, d.h. die Schmelze gerade nicht berührend, und 100 mm ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Abstand, in dem der wärmeisolierende Deckel über der Schmelzoberfläche angeordnet ist, 10 mm oder mindestens zwischen 5 mm und 20 mm ist. Durch Einstellen des Abstandes, in dem der wärmeisolierende Deckel über der Schmelzoberfläche angeordnet ist, kann eine geeignete Temperaturverteilung innerhalb der Schmelze gestaltet werden und somit der Abstand als Steuergröße zum Steuern des Wachstums des Volumeneinkristalls, z.B. der Wachstumsrate und der Richtung des Kristallwachstums, verwendet werden.
Es ist bevorzugt, dass der Abstand zwischen dem Deckel und der Schmelzoberfläche während des Züchtens des Volumeneinkristalls konstant gehalten wird. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, wenn der Abstand während des Züchtens des Volumeneinkristalls variiert wird, um die Temperaturverteilung in der Schmelze, z.B. für verschiedene Wachstumsstadien, anzupassen. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der Deckel parallel oder zumindest annähernd parallel zur Schmelzoberfläche der Schmelze angeordnet ist, so dass der Abstand zwischen Deckel und Schmelzoberfläche über die Fläche des wärmeisolierenden Deckels konstant ist. In einigen Wachstumsszenarien ist es jedoch vorteilhaft, wenn der Deckel in Bezug auf die Schmelzoberfläche geneigt ist, um eine bestimmte Temperaturverteilung in der Schmelze zu erreichen.
Der wärmeisolierende Deckel kann an einer Halterung befestigt werden, und durch vertikales Verschieben der Halterung in Bezug auf die Schmelzoberfläche kann der Abstand zwischen dem wärmeisolierenden Deckel und der Schmelzoberfläche eingestellt werden. Ein solcher Arm kann manuell oder automatisch bewegt werden.
Für das beschriebene Züchtungsverfahren ist es nicht erforderlich, dass der wärmeisolierende Deckel genau mittig in Bezug zum Tiegel angeordnet ist. Das Züchtungsverfahren funktioniert auch dann, wenn zumindest ein zentraler Teil der Schmelzoberfläche durch den Deckel abgedeckt wird. So kann der wärmeisolierende Deckel und insbesondere der Deckelrand mit der Tiegelwand in Kontakt sein.
Vorzugsweise wird das Ausgangsmaterial in Pulverform mit einer Reinheit von 99,99 % bereitgestellt. Aber auch Verunreinigungen im 1 %-Bereich und Dotierstoffe im 5 %-Bereich sind tolerierbar.
Das Ausgangsmaterial kann aus nur einer oder zwei chemischen Spezies bestehen, in den meisten Fällen setzt sich das Ausgangsmaterial jedoch aus diversen chemischen Spezies zusammen. Es ist vorteilhaft, wenn aus dem Ausgangsmaterial eine Pulvermischung hergestellt wird, z.B. enthaltend Wiegen, Mischen und Kalzinieren des Pulvers der verschiedenen chemischen Spezies.
Wenn das Ausgangsmaterial in Pulverform vorliegt, ist es bevorzugt, dass das Pulver ein getrocknetes Pulver ist.
Um das Einfüllen des Ausgangsmaterials in den Tiegel sowie das Schmelzen des Ausgangsmaterials im Tiegel zu verbessern, ist es ferner bevorzugt, dass das Pulver vor dem Einbringen in den Tiegel verdichtet wird, wenn das Ausgangsmaterial in Pulverform vorliegt. Durch Verdichten des Pulvers sind typischerweise die wenigsten Erhitzungs-/Abkühlzyklen erforderlich, um den Tiegel zu füllen, bevor mit dem Kristallwachstum begonnen werden kann. Zum Beispiel kann das Pulver, z.B. eine Pulvermischung, gepresst werden. Vorteilhafterweise können aus dem Pulver durch kaltisostatisches Pressen ein oder mehrere Stäbe, Flocken oder Kugeln hergestellt werden. Kaltisostatisches Pressen kann z.B. bei 0,2 GPa durchgeführt werden. Wenn ein Stab hergestellt wird, reicht der Stab typischerweise über die Oberseite des Tiegels hinaus und sinkt beim Schmelzen in den Tiegel ein. Ein solcher Stab aus verdichtetem Pulver hat vorzugsweise eine Gesamtmasse, die so berechnet ist, dass sie den Tiegel beim Schmelzen füllt, und eine Form, die in den Tiegel passt, sich aber nach oben und aus dem Tiegel heraus erstreckt.
Das Ausgangsmaterial kann auch als loses Pulver in den Tiegel eingebracht und nachträglich vor dem Schmelzen im Inneren des Tiegels verdichtet werden. Das Pressen erfolgt dann uniaxial. Vorzugsweise, wird das Pulver vor dem Einbringen in den Tiegel gepresst, um eine mögliche Beschädigung des Tiegels zu vermeiden.
Das Verdichten des Ausgangsmaterials ist jedoch nicht notwendig, um aus der Schmelze einen Volumenkristall zu züchten. Daher könnte das Pulver direkt in den Tiegel gegeben und erhitzt werden, um es zu schmelzen. Das Befüllen kann dann mehrere Schritte des Hinzufügens von Pulver umfassen.
Es ist bevorzugt, dass der Tiegel in einer Inertgasatmosphäre, vorzugsweise unter Umgebungsdruck, angeordnet wird. Die Inertgasatmosphäre kann eine Argon- oder eine Stickstoffatmosphäre sein. Es ist jedoch auch möglich, dass das Züchtungsverfahren im Vakuum oder unter hohem Druck arbeitet, z.B. bis zu mehreren hundert Atmosphären, in denen Argon zu einem Superfluid wird. Vorzugsweise wird die Inertgasatmosphäre vor dem Aufheizen des Tiegels hergestellt und die Inertgasatmosphäre ist während des gesamten Schmelzprozesses und während des Kristallwachstums vorhanden. Typischerweise sind einige Prozent Sauerstoff akzeptabel. Wenn ein Iridium oder ein anderes oxidierendes Material als Tiegelmaterial verwendet wird, ist es bevorzugt, dass der größte Teil der Luft durch ein Inertgas wie z.B. Argon ersetzt wird.
In verschiedenen Varianten des erfindungsgemäßen Züchtungsverfahrens weist das Ausgangsmaterial Sauerstoff in Kombination mit mindestens einer Kationenspezies auf, die mehrere Oxidationszustände annehmen kann, und weist der gezüchtete Volumeneinkristall ein Oxid auf, das mindestens eine Kationenspezies enthält, die mehrere Oxidationszustände annehmen kann, oder bevorzugter mindestens eines von Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Niob, Molybdän, Wolfram oder Tantal, und weist der Volumeneinkristall ein Oxid auf, vorzugsweise ein Oxid von Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Niob, Molybdän, Wolfram oder Tantal.
Speziell für diese Materialien lassen sich mit den bekannten Verfahren keine Volumeneinkristalle ausreichender Qualität züchten. Daher stellt die Erfindung erstmals Volumeneinkristalle dieser Materialien und ein Verfahren, um diese zu Züchten bereit. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass sich Volumeneinkristalle dieser Materialien unter Verwenden eines wärmeisolierenden Deckels züchten lassen, der in einem Abstand über einer Schmelzoberfläche der Schmelze derart angeordnet ist, dass während des Abkühlens der Schmelze und damit während des Wachstums zumindest ein zentraler Teil der Schmelzoberfläche durch den Deckel abgedeckt wird.
Besonders bevorzugt ist, dass das Ausgangsmaterial mindestens Ba, Sc, Nb und O aufweist und der erzeugte Volumeneinkristall ein Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall ist.
Insbesondere wird die Herstellung von Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristallen bevorzugt, da diese Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristalle zu Ba₂ScNbO₆-Einkristallsubstraten verarbeitet werden können. Solche Ba₂ScNbO₆-Einkristallsubstrate sind in der Elektronikindustrie in der benötigten Größe und Strukturqualität bisher nicht erhältlich.
Ein Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall ist ein Doppelperowskit mit kubischer Symmetrie. Der Gitterparameter eines Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristalls liegt innerhalb von 1% des Gitterparameters verschiedener Perowskite - wie BaSnO₃ - für die bisher in der Elektronikindustrie kein geeignetes Substrat für die Herstellung elektronischer Bauelemente zur Verfügung stand, die Kristallschichten aus diesen Materialien mit den für hohe Leistung erforderlichen geringen Defektdichten enthalten. Somit stellt die Erfindung einen Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall für die Herstellung eines Substrates bereit, das dann die Herstellung elektronischer Bauelemente aus Materialien ermöglicht, die bisher in der Elektronikindustrie nicht in hochwertiger Form zur Verfügung standen, die aber aufgrund ihrer zu erwartenden hohen Leistungen gefragt sind.
Vorzugsweise wird das Ausgangsmaterial, das mindestens Ba, Sc, Nb und O aufweist, in getrockneter Pulverform mit Reinheiten von 99,99 % bereitgestellt. Zusätzlich zu Ba, Sc, Nb und O kann das Ausgangsmaterial MgO und/oder CaO mit einem Anteil von weniger als 5 Mol-% aufweisen. MgO und/oder CaO können somit als Dotierstoffe hinzugefügt werden, um die freie Trägerabsorption bei hohen Temperaturen durch einen als Kompensationsdotierung bezeichneten Mechanismus zu reduzieren. Wenn man einen oder beide dieser Dotierstoffe zum Ausgangsmaterial hinzufügt, ist der erzeugte Volumeneinkristall dann ein mit Mg und/oder Ca dotierter Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall.
Weist das Ausgangsmaterial mindestens Ba, Sc, Nb und O auf und ist der zu züchtende Volumeneinkristall ein Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall, so umfasst das Verfahren zum erfindungsgemäßen Züchten eines Volumeneinkristalls dementsprechend die Schritte

- Einbringen eines Ausgangsmaterials, das mindestens Ba, Sc, Nb und O enthält, in einen Tiegel,
- Schmelzen des Ausgangsmaterials im Tiegel durch Erhitzen des Ausgangsmaterials,
- Anordnen eines wärmeisolierenden Deckels in einem Abstand über einer Schmelzoberfläche der Schmelze derart, dass zumindest ein zentraler Teil der Schmelzoberfläche durch den Deckel abgedeckt wird, und
- Züchten des Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristalls aus der Schmelze durch steuerbares Abkühlen der Schmelze mit dem über der Schmelzoberfläche angeordneten wärmeisolierenden Deckel.

Der Schritt „Einbringen eines Ausgangsmaterials“ umfasst in einer Ausführungsform die Teilschritte

- Herstellen einer Pulvermischung aus dem Ausgangsmaterial, das mindestens Ba, Sc, Nb und O enthält,
- Verdichten der Pulvermischung, die mindestens Ba, Sc, Nb und O enthält, und
- Einbringen der verdichteten Pulvermischung in den Tiegel.

Der Teilschritt des „Herstellen einer Pulvermischung aus dem Ausgangsmaterial, das mindestens Ba, Sc, Nb und O enthält“ kann das Wiegen, Mischen und Kalzinieren des Ausgangsmaterials umfassen. Das Kalzinieren des Ausgangsmaterials - vorzugsweise in getrockneter Pulverform - kann z.B. in Luft bei 1300°C für 12 Stunden durchgeführt werden.
Der Teilschritt „Verdichten der Pulvermischung, die mindestens Ba, Sc, Nb und O enthält" kann Herstellen eines oder mehrerer Stäbe aus der Pulvermischung durch kaltisostatisches Pressen bei 0,2 GPa umfassen.
Zum Schmelzen des Ausgangsmaterials, das mindestens Ba, Sc, Nb und O enthält, genügt es, wenn der Tiegel auf eine Temperatur erhitzt wird, die mindestens so hoch ist wie der Schmelzpunkt eines Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristalls. Der Tiegel kann z.B. auf eine Temperatur von mindestens 2165 +/- 30 °C erhitzt werden. Um deutlich über dem Schmelzpunkt zu liegen, kann der Tiegel auf eine Temperatur von mindestens 2195 °C, z.B. auf eine Temperatur von 2200 °C, erhitzt werden.
Für das Züchten eines Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristalls ist es von Vorteil, wenn eine Inertgasatmosphäre, in der der Tiegel angeordnet ist, einen Druck von 1 atm oder sogar höher als 1 atm hat, um die effektive Verdampfungsrate von BaO zu verringern.
Ein nach dem hier beschriebenen Verfahren gezüchteter Ba₂ScNbO₆-Einkristall kann zumindest teilweise von einer multikristallinen oder polykristallinen Matrix umgeben sein, die in der Anfangsphase des erfindungsgemäßen Züchtungsverfahrens nahe der Tiegelwand wächst. Daher kann insbesondere das Verfahren zum Züchten eines Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristalls den folgenden Schritt umfassen

- Abtrennen des Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristalls von einer multikristallinen oder polykristallinen Matrix, die den Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall zumindest teilweise umgibt. Abtrennen umfasst in einer Ausführungsform Schneiden und/oder Mahlen und/oder Spalten, um das Volumen des Ba₂ScNbO₆-Einkristalls zu isolieren.

Insbesondere kann zur Herstellung eines Ba₂ScNbO₆-Einkristallsubstrats eine Scheibe des Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristalls abgeschnitten werden. Von einem Ba₂ScNbO₆-Einkristall, der nach dem hier beschriebenen Verfahren gezüchtet wurde, können Scheiben abgeschnitten werden, deren Durchmesser in lateraler Ausdehnung gleich oder größer als 6 mm ist. Mit dem hier beschriebenen Verfahren ist es auch möglich, einen Ba₂ScNbO₆-Einkristall zu züchten, von dem eine Scheibe mit einem Durchmesser in lateraler Ausdehnung gleich oder grösser als 8 mm oder sogar gleich oder grösser als 10 mm abgeschnitten werden kann. Eine aus einem Ba₂ScNbO₆-Einkristall geschnittene Scheibe kann zu einem Ba₂ScNbO₆-Einkristallsubstrat für die Verwendung in der Elektronikindustrie weiterverarbeitet werden.
Vorteilhafterweise wird aus der Scheibe ein Ba₂ScNbO₆-Einkristallsubstrat mit einem Durchmesser in lateraler Ausdehnung hergestellt, der gleich oder größer als 6 mm ist. Aus einer Scheibe mit einem Durchmesser in lateraler Ausdehnung gleich oder größer als 8 mm kann ein Substrat mit einem Durchmesser in lateraler Ausdehnung gleich oder größer als 8 mm hergestellt werden. Aus einer Scheibe mit einem Durchmesser in lateraler Ausdehnung gleich oder größer als 10 mm kann ein Substrat mit einem Durchmesser in lateraler Ausdehnung gleich oder größer als 10 mm hergestellt werden.
Die Erfindung betrifft auch einen Ba₂ScNbO₆-Einkristall mit einer Querschnittsfläche gleich oder größer als 6 mm × 6 mm. Die Erfindung betrifft ferner einen Ba₂ScNbO₆-Einkristall mit einer Querschnittsfläche gleich oder größer als 8 mm × 8 mm, insbesondere gleich oder größer als 10 mm × 10 mm. Der Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall kann unabhängig von anderen hier beschriebenen Aspekten realisiert werden und stellt somit eine eigenständige Erfindung dar.
Der erfindungsgemäße Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall hat eine kubische Symmetrie und einen Gitterparameter von 412 pm. Daher hat ein Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall einen kompatiblen Gitterparameter mit vielen Materialien, die für die Elektronikindustrie von Interesse sind, wie z.B. BaSnO₃, das ebenfalls die Perowskitstruktur mit identischen Ba-O-Schichten aufweist. Tatsächlich sind Ba₂ScNbO₆ und BaSnO₃ besser als 0,1 % zueinander gitterangepasst. Darüber hinaus hat Ba₂ScNbO₆ eine Dielektrizitätskonstante von 16 und eine Bandlücke von 3,6 eV und besitzt somit Materialeigenschaften, die oft für ein geeignetes Substrat in der Elektronikindustrie benötigt werden. Der Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall hat einen Schmelzpunkt von 2165+/- 30 °C in einer Inertgasatmosphäre bei Umgebungsdruck.
Vorzugsweise hat der Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall eine Zusammensetzung von 66,7 Mol-% +/- 5% BaO, 16,7 Mol-% +/- 5% SC₂O₃ und 16,7 Mol-% +/- 5% Nb₂O₅. Die Schmelze, aus der der Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall gezüchtet wurde, z.B. mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Züchten eines Volumeneinkristalls, muss jedoch nicht die gleiche Zusammensetzung wie der Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall haben. Verwandte Verfahren der Kristallzüchtung, z.B. Top-Seed-Lösungszucht (TSSG), können verwendet werden, um eine Ba, Sc, Nb und O enthaltende Schmelze bereitzustellen, aus der der Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Züchten des Volumeneinkristalls gezüchtet werden kann. Ein Schmelzmittel einer anderen Spezies, z.B. auf der Basis von Cu₂O oder PbO/ PbF₂, kann in der Schmelze vorhanden sein, aber vorzugsweise wird ein Schmelzmittel verwendet, das sich nur minimal in den aus der Schmelze gezüchteten Volumeneinkristall einbaut. Andere Spezies, die an die Stelle von MgO treten können, können z.B. CaO sein, aber der Anteil von solchen Dotierstoffen ist vorzugsweise auf weniger als 5 Mol-% beschränkt.
Die Erfindung betrifft auch ein einkristallines Ba₂ScNbO₆-Substrat mit einem Durchmesser in lateraler Ausdehnung, der gleich oder größer als 6 mm ist. Die Erfindung betrifft ferner ein einkristallines Ba₂ScNbO₆-Substrat mit einem Durchmesser in lateraler Ausdehnung gleich oder größer als 8 mm, insbesondere gleich oder größer als 10 mm. Insbesondere betrifft die Erfindung auch ein einkristallines Ba₂ScNbO₆-Substrat mit Standardwafergrößen, z.B. mit lateralen Ausdehnungen von 4 Zoll oder 6 Zoll. Solche einkristallinen Ba₂ScNbO₆-Substrate können aus dem erfindungsgemäßen Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall mit einer entsprechenden Querschnittsfläche hergestellt werden.
Die Erfindung betrifft auch eine (Multi-)Schichtstruktur mit einem erfindungsgemäßen einkristallines Ba₂ScNbO₆-Substrat und einer oder mehreren auf dem Ba₂ScNbO₆-Substrat gezüchteten Kristallschichten. Diese (Multi-)Schichtstruktur kann unabhängig von anderen hier beschriebenen Aspekten realisiert werden und stellt somit eine eigenständige Erfindung dar.
Das erfindungsgemäße einkristalline Ba₂ScNbO₆-Substrat hat einen Gitterparameter, der es in der Elektronikindustrie zu einem geeigneten Substrat für diverse Materialien macht, insbesondere für Materialien, für die bisher kein geeignetes Substrat in den Größen und der Strukturqualität zur Verfügung stand, die zur Aufrechterhaltung der Funktionalität dieser Materialien erforderlich sind.
Von besonderem Vorteil ist, dass das einkristalline Ba₂ScNbO₆-Substrat einen Gitterparameter aufweist, der dem Gitterparameter diverser Perowskite entspricht. Zum Beispiel können die eine oder mehrere Kristallschichten, die auf dem einkristallinen Ba₂ScNbO₆-Substrat gezüchtet werden, mindestens einen der Perowskite BaSnO₃, LaInO₃, BiScO₃, PbZrO₃, SrZrO₃, SrHfO₃, PrInO₃, LaScO₃, SrSnO₃, BaHfO₃, LaLuO₃, CeLuO₃, PrLuO₃, NdLuO₃, CeYbO₃, PrYbO₃ oder BaZrO₃ aufweisen.
Die eine oder mehreren Kristallschichten, die auf dem einkristallinen Ba₂ScNbO₆-Substrat gezüchtet werden, können auch mindestens eine der Perowskitmischkristalle PbZr_1-xTi_xO₃ (PZT), PbCa_1-xTi_xO₃ (PCT) oder Ba_1-xSr_xSnO₃ aufweisen, wobei x eine Zahl zwischen 0 und 1 ist.
Die eine oder mehrere Kristallschichten können auch mindestens eine der relaxor-ferroelektrischen Mischkristalle PbMg_1/3Nb_2/3O₃-PbTiO₃ (PMN-PT), PbZn_1/3Nb_2/3O₃-PbTiO₃ (PZN-PT) und PbIn_1/2Nb_1/2O₃-PbMg_1/3Nb_2/3O₃-PbTiO₃ (PIN-PMN-PT) aufweisen.
Wenn die Mehrschichtstruktur mehrere Kristallschichten aufweist, die auf dem Ba₂ScNbO₆-Substrat in verschiedenen Schichten aufgewachsen sind, kann die Mehrschichtstruktur z.B. mindestens einen der oben aufgeführten Perowskite und/oder mindestens eine der oben aufgeführten Perowskitmischkristalle und/oder mindestens eine der oben aufgeführten relaxor-ferroelektrischen Mischkristalle aufweisen.
Besonders bevorzugt ist, dass die Mehrschichtstruktur eine BaSnO₃-Kristallschicht aufweist, die direkt auf dem einkristallinen Ba₂ScNbO₆-Substrat aufgewachsen ist. Mit dem stark gitterangepassten einkristallinen Ba₂ScNbO₆-Substrat weist die BaSnO₃-Kristallschicht gute Eigenschaften für den Einsatz in elektronischen Bauelementen auf. Vorteilhafterweise hat die BaSnO₃-Kristallschicht, die direkt auf dem Einkristall-Ba₂ScNbO₆-Substrat gezüchtet wird, eine durchschnittliche Versetzungsdichte (engl. thread disclocation density (TDD)) von weniger als 10⁸ Versetzungen pro cm² und/oder eine Elektronenbeweglichkeit von mehr als 190 cm²V^-1s^-1 und/oder eine Halbwertsbreite (FWHM) ihrer Rocking-Kurve, die kleiner oder gleich 23 arcsec (0,006°) ist.
Aufgrund seiner hohen Elektronenbeweglichkeit - die bei degenerativer Dotierung über 300 cm²V^-1s^-1 liegen kann - bei Raumtemperatur, seiner ausgezeichneten Transparenz, seiner chemischen Stabilität und weil es frei von Indium ist, bietet das transparente leitende Oxid (TCO) BaSnO₃ eine Vielzahl von Materialeigenschaften, die für elektronische Bauelemente vorteilhaft sind. Zum Beispiel wurde nachgewiesen, dass Feldeffekttransistoren (FET) mit BaSnO₃ bei Raumtemperatur mit Spitzen-Feldeffektmobilitäten von 61 cm²V^-1s^-1 und I_on/I_off-Verhältnissen von bis zu 10⁹ arbeiten.
Bislang wurden jedoch in der Elektronikindustrie keine Mehrschichtstrukturen mit einer BaSnO₃-Kristallschicht verwendet, da kein geeignetes Substrat zur Verfügung stand, das das Herstellen einer Mehrschichtstruktur mit einer BaSnO₃-Kristallschicht in der erforderlichen Kristallqualität ermöglicht. Aufgrund des Mangels an geeigneten Substraten können nach dem Stand der Technik Dünnschichten aus BaSnO₃ auf bisher verfügbaren Substraten nur mit hohen Versetzungsdichten (TDD) gezüchtet werden, was zu deutlich reduzierten Elektronenmobilitäten führt. Mit der Erfindung stehen nun Mehrschichtstrukturen aus einer BaSnO₃-Kristallschicht in großem Umfang bei gleichbleibender Funktionalität und damit vorteilhaften Eigenschaften zur Verfügung.
Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, dass durch die Möglichkeit, Ba₂ScNbO₆-Einkristalle z.B. mit dem erfindungsgemäßen Züchtungsverfahren zu züchten und damit ein Ba₂ScNbO₆-Einkristallsubstrat mit der erforderlichen Strukturkompatibilität sowie der erforderlichen Strukturqualität zur Verfügung stellen zu können, der Zugang zur Herstellung von Mehrschichtstrukturen aus einer BaSnO₃-Kristallschicht mit hoher Strukturqualität und damit erhaltener Funktionalität gegeben ist. So kann zum Beispiel direkt auf einem Ba₂ScNbO₆-Einkristallsubstrat eine BaSnO₃-Kristallschicht mit einer durchschnittlichen Versetzungsdichte (TDD) von weniger als 10⁸ Versetzungen pro cm² und einer Elektronenbeweglichkeit von mehr als 190 cm²V^-1s^-1 gezüchtet werden, um eine Mehrschichtstruktur herzustellen. Die hohe Strukturqualität resultiert in einer Halbwertsbreite (FWHM) der Rocking-Kurve der BaSnO₃-Kristallschicht, die gleich oder sogar kleiner als 23 arcsec (0,006°) ist. Diese Werte werden z.B. erreicht für eine 250 nm dicke undotierte BaSnO₃-Kristallschicht, gefolgt von einer 130 nm dicken La-dotierten BaSnO₃-Schicht, die so dotiert ist, dass sie eine freie Elektronenkonzentration von 3×10¹⁹ cm^-3 hat, auf einem Ba₂ScNbO₆-Einkristallsubstrat.
Es ist ein besonderer Vorteil der (Multi-)Schichtstruktur mit einer BaSnO₃-Kristallschicht, die epitaktisch auf einem Ba₂ScNbO₆-Einkristallsubstrat gezüchtet wurde, dass die BaSnO₃-Kristallschicht eine Dicke von z.B. 380 nm und mehr haben kann, wobei sie immer noch eine durchschnittliche Versetzungsdichte (TDD) von weniger als 10⁸ Versetzungen pro cm² und eine Elektronenbeweglichkeit von mehr als 190 cm²V^-1s^-1 hat. In einer solchen (Multi-)Schichtstruktur ist die Kristallschicht, die als epitaktischer BaSnO₃-Film auf Ba₂ScNbO₆ gewachsen wurde, selbst dann völlig angemessen, wenn eine BaSnO₃-Kristallschicht mit einer Dicke von mehr als einem Mikrometer gezüchtet wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine elektronische Vorrichtung, die die erfindungsgemäße (Multi-)Schichtstruktur aufweist. Bei der elektronischen Vorrichtung kann es sich um eine Vorrichtung handeln, die ausgewählt wird aus: einem Feldeffekttransistor mit einem herkömmlichen Gate-Dielektrikum (einem MOSFET), einem Feldeffekttransistor mit einem ferroelektrischen Gate-Dielektrikum (einem ferroelektrischen FET), einem Feldeffekttransistor mit einem antiferroelektrischen Gate-Dielektrikum (einem antiferroelektrischen FET), einem Wandler, einem Empfänger, einem Verstärker, einem Sensor und einem Aktuator. Aufgrund der hohen Bandlücke von BaSnO₃ können die oben genannten Bauelemente vollständig transparent sein, d.h. ein transparenter Transistor, transparenter Wandler, transparenter Sensor usw.
Es hat sich gezeigt, dass transparente MOSFETs auf der Basis von BaSnO₃ eine bessere elektrische Leistung aufweisen als alle früheren transparenten MOSFETs.
Ferroelektrische FETs benötigen keinen Strom zur Aufrechterhaltung ihrer logischen Zustände, was sie für Speicher und instant-on-Rechensysteme (engl. Instant-on-Computing) relevant macht. Der logische Zustand kann zerstörungsfrei auf Basis der Leitfähigkeit des Halbleiterkanals ausgelesen werden. Diese ferroelektrischen FETs wurden erstmals vor über 60 Jahren vorgeschlagen, aber ihre Realisierung wurde aufgrund von Problemen bei der Materialintegration vereitelt. Eine abrupte Ferroelektrikum-zu-Halbleiter-Grenzfläche ist für die Leistung dieser Bauelemente von entscheidender Bedeutung; leider geht das direkte Wachstum von Ferroelektrika auf Mainstream-Halbleitern mit ausgedehnter Interdiffusion oder chemischen Reaktionen einher, die die Eigenschaften des Oxids, des darunter liegenden Halbleiters oder beider verschlechtern und zu elektrisch aktiven Defekten an der Halbleiter/Oxid-Grenzfläche führen. Solche Defekte setzen diese Bauelemente außer Gefecht. Die Erfindung ermöglicht es, dieser seit langem bestehenden Herausforderung zu begegnen und eine neue Generation von hyperfunktionaler Oxid-Elektronik zu ermöglichen, indem BaSnO₃ als Kanalschicht mit hoher Mobilität in ferroelektrischen FETs verwendet wird, da BaSnO₃ strukturell und chemisch mit vielen ferroelektrischen und multiferroischen Oxiden kompatibel ist.
FETs, die ferroelektrische oder antiferroelektrische Gate-Dielektrika enthalten, haben auch das Potenzial zur Herstellung von Niedrigenergie-Transistoren, die die 60 mV/Dekade-Grenze der Unterschwellenflanke konventioneller Transistoren übertreffen können.
Die durch diese Erfindung ermöglichte Fähigkeit zur Herstellung von BaSnO₃-Kanalschichten mit hoher Mobilität ermöglicht das Herstellen von „Smart-FETs“ durch das Integrieren der außergewöhnlichen Funktionalitäten von chemisch und strukturell kompatiblen Perowskitoxiden zum Herstellen besonders empfindlicher Temperatur-, Druck- oder Magnetfeldsensoren.
Was den Züchtungsaufbau betrifft, so wird das Ziel der Erfindung durch einen Züchtungsaufbau zum Züchten eines Volumeneinkristalls aus einer Schmelze erreicht. Der Züchtungsaufbau umfasst

- einen Schmelztiegel
- ein Heizelement, das zum Schmelzen eines im Tiegel befindlichen Ausgangsmaterials zu einer Schmelze angeordnet und ausgebildet ist, und
- einen wärmeisolierenden Deckel zum Abdecken mindestens eines zentralen Teils einer Schmelzoberfläche einer im Tiegel befindlichen Schmelze.

Der erfindungsgemäße Züchtungsaufbau ist geeignet zum Durchführen des erfindungsgemäßen Züchtungsverfahrens zum Züchten eines Volumeneinkristalls verwendet zu werden. Der erfindungsgemäße Züchtungsaufbau teilt die Vorteile des erfindungsgemäßen Züchtungsverfahrens.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Züchtungsaufbaus ist, dass er im Vergleich zu anderen Züchtungsaufbauten nur eine geringe Anzahl an Komponenten benötigt, z.B. im Vergleich zu einem Czochralski-Aufbau, der auch eine Waage zum Messen des Gewichts des wachsenden Kristalls (oder des Tiegels, aus dem er gezogen wird) und der Kristalldrehung benötigt.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Züchtungsaufbaus ist, dass durch das Verwenden des wärmeisolierenden Deckels auch solche hochwertigen Volumeneinkristalle auf bequeme Art und Weise gezüchtet werden können, die mit der Czochralski-Technik nicht oder nur schwer züchtbar sind.
Insbesondere durch Variieren z.B. der Geometrie des wärmeisolierenden Deckels, des Deckelmaterials und/oder der Deckelgröße und/oder durch Variieren der Anordnung des wärmeisolierenden Deckels in Bezug auf den Tiegel kann der Züchtungsaufbau entsprechend den Bedürfnissen für das Züchten eines bestimmten Volumeneinkristalls angepasst werden. Ferner kann für das Züchten eines bestimmten Volumeneinkristalls in einem Züchtungsverfahren der Abstand zur Schmelze und/oder die Neigung des Deckels in Bezug auf die Schmelzoberfläche in geeigneter Weise variiert werden.
Es ist vorteilhaft, wenn der wärmeisolierende Deckel ein Verschluss ist oder einen Verschluss aufweist und so ausgebildet ist, dass durch Öffnen und Schließen des Verschlusses der Anteil der Schmelzoberfläche, die durch den wärmeisolierenden Deckel abgedeckt wird, einstellbar ist. Ein wärmeisolierender Deckel, der ein Verschluss ist oder einen Verschluss aufweist, kann auf diverse Arten ausgeführt werden.
In einer Ausführung weist der Verschluss zwei übereinander angeordneten Scheiben auf, die den gleichen Mittelpunkt haben. Beide Scheiben können den gleichen Durchmesser, aber auch unterschiedliche Durchmesser haben. Ferner sind die beiden Scheiben so übereinander angeordnet, dass sie relativ zueinander gedreht werden können, so dass der Verschluss durch Drehen der Scheiben relativ zueinander geöffnet und geschlossen werden kann.
Beide Scheiben können eine Vielzahl von z.B. gleichmäßig geformten Perforationen aufweisen, wobei die Perforationen beider Scheiben entlang des Umfangs von Kreisen mit gleichem Durchmesser verteilt sind. In anderen Ausführungsformen können Perforationen z.B. in bestimmten Quadranten einer Scheibe angeordnet sein, während andere Quadranten durchgehend massiv sind.
In verschiedenen anderen Ausführungsformen eines wärmeisolierenden Deckels, der einen Verschluss aufweist, wird der Verschluss durch ein oder mehrere Fenster realisiert, die geöffnet oder geschlossen werden können. Durch die Wahl eines Öffnungswinkels des einen oder der mehreren Fenster kann die Menge der Wärmestrahlung, die von der Schmelzoberfläche pro Zeitperiode abgegeben wird, gesteuert werden. Es ist auch möglich, einen einen Verschluss aufweisenden wärmeisolierenden Deckel mittels eines wärmeisolierenden Deckels mit einer Vielzahl von Perforationen zu realisieren, die jeweils durch einen entsprechenden Deckel verschlossen werden können. Ein solcher Deckel zum Verschließen einer Vielzahl von Perforationen kann auch aus einem Stück gefertigt werden, so dass die Vielzahl von Perforationen in einem Schritt geschlossen und geöffnet werden kann.
Es ist bevorzugt, dass der wärmeisolierende Deckel von einem Material gebildet ist, das fest ist und das der heißen Umgebung, einschließlich eines möglichen Wärmeschocks, widerstehen kann. Vorzugsweise ist der wärmeisolierende Deckel aus dem gleichen Material wie der Tiegel (Iridium im Falle von Ba₂ScNbO₆) gemacht oder aus den gleichen chemischen Elementen wie das Ausgangsmaterial, aus dem ein Volumeneinkristall gezüchtet werden soll. Zum Beispiel kann insbesondere beim Züchten eines Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristalls der wärmeisolierende Deckel aus einem scheibenförmigen Stück Ba₂ScNbO₆ hergestellt werden.
Der Außendurchmesser des wärmeisolierenden Deckels sollte kleiner sein als der Innendurchmesser des Tiegels, insbesondere unterhalb der abgedeckten Tiegelspitze (unterhalb der gelochten Ir-Scheibe). Dann wird beim Züchten eines Volumeneinkristalls nur ein Bruchteil der Schmelzoberfläche durch den Deckel abgedeckt, der in einem Abstand über der Schmelzoberfläche angeordnet ist. Ein Bereich zwischen dem Deckel und der Tiegelwand bleibt dann unbedeckt, so dass die Wärmestrahlung nicht durch den Deckel blockiert wird. Das Verhältnis von bedeckten und unbedeckten Schmelzoberflächenbereichen kann als zusätzlicher Parameter zum Gestalten einer Temperaturverteilung in der Schmelze verwendet werden, die für das Züchten eines bestimmten Volumeneinkristalls am besten geeignet ist.
In einer Ausführung ist der wärmeisolierende Deckel so angeordnet, dass er so zum Tiegel zentriert ist, dass der unbedeckte Schmelzoberflächenbereich, der das bedeckte Zentrum umgibt, die Wärme aus der Schmelze gleichmäßig abstrahlt.
Ein wärmeisolierender Deckel kann auch vergleichsweise dick sein, um eine gute Wärmeisolierung zu gewährleisten. Alternativ kann der wärmeisolierende Deckel auch mehrere gestapelte Deckeln aufweisen, in einer Ausführung auch mit geringen Abständen zwischen den Deckeln.
Insbesondere kann ein wärmeisolierender Deckel, der zum vollständigen abdecken des Tiegels ausgebildet ist, einen Verschluss zum Einstellen des Anteils der Schmelzoberfläche aufweisen, der vom wärmeisolierenden Deckel während des Wachstums eines Volumeneinkristalls abgedeckt wird.
Vorzugsweise wird der Tiegel mit einer gelochten Scheibe abgedeckt. Die Lochscheibe kann nach dem Aufsetzen des isolierenden Deckels auf den Tiegel gelegt werden. Eine Halterung des wärmeisolierenden Deckels, z.B. ein am wärmeisolierenden Deckel befestigter Arm, kann sich dann durch das gestanzte Loch der Lochscheibe erstrecken. Eine Halterung, die sich durch das gestanzte Loch erstreckt, kann vertikal in Bezug auf die Lochscheibe und den Tiegel bewegt werden, um den Abstand des angebrachten wärmeisolierenden Deckels über einer Schmelzoberfläche einzustellen. Vorzugsweise ist der Tiegel in eine Wärmeisolation eingebettet, wobei die Wärmeisolation nahe am oder in Kontakt mit dem Tiegel ist. Die Wärmeisolierung kann unter, neben und/oder über dem Tiegel angeordnet werden.
Zum Beispiel kann der Tiegel in eine ZrO₂- und Al₂O₃-lsolierung eingebettet werden, wobei Al₂O₃ vorzugsweise bei niedrigeren Wachstumstemperaturen oder in kühleren Bereichen des Züchtungsaufbaus verwendet wird.
Der Tiegel kann ein Iridium- oder Platin-Tiegel sein. Im Allgemeinen kann jeder Tiegel verwendet werden, der für die Aufnahme eines Ausgangsmaterials und auch einer Schmelze dieses Ausgangsmaterials ausgebildet ist. Folglich muss der Tiegel einen höheren Schmelzpunkt haben als das zu schmelzende Material. Daher ist ein geeigneter Tiegel vorzugsweise so ausgebildet, dass er hohen Heiztemperaturen, z.B. von mindestens 2200°C, und auch dem Abkühlen standhält. Außerdem sollte der Tiegel von einem Material gebildet sein, das nicht mit dem Ausgangsmaterial reagiert.
Der Tiegel des Züchtungsaufbaus kann in verschiedenen Formen und Größen realisiert werden. Ein größerer Tiegel ermöglicht das Züchten eines größeren Volumeneinkristalls. Somit kann die Größe des Tiegels entsprechend der gewünschten Größe des zu züchtenden Volumenkristalls gewählt werden. Im Allgemeinen ist es vorzuziehen, wenn der Tiegel zylindrisch geformt ist, da sie auf bequeme Weise gleichmäßig erhitzt werden können. Bevorzugte Durchmesser-zu-Höhe-Verhältnisse des Tiegels liegen im Bereich von 0,3-2. Der Tiegel kann beispielsweise einen Innendurchmesser von 28 mm und eine Höhe von 42 mm haben.
Es kann auch von Vorteil sein, wenn der Tiegel ein Skulltiegel ist, der von einem Pulver gebildet ist, das mindestens die gleichen chemischen Elemente enthält wie das Ausgangsmaterial, aus dem der Volumeneinkristall gezüchtet werden soll. Wenn z.B. das Ausgangsmaterial mindestens Ba, Sc, Nb und O enthält und der zu züchtende Volumeneinkristall ein Ba₂ScNbO₆-Einkristall ist, kann der Skulltiegel aus einem Pulver hergestellt werden, das mindestens Ba, Sc, Nb und O enthält. Beim Verwenden eines Skulltiegels schmilzt das Ausgangsmaterial typischerweise im zentralen Teil des Tiegels durch Erhitzen des Tiegels mit einem Heizelement. Die Außenseite des Skulltiegels wird gekühlt, z.B. mit einem wassergekühlten Gefäß, um ein Schmelzen des Tiegels selbst zu verhindern. Der Vorteil des Skulltiegels besteht darin, dass der Tiegel nicht mehr einen höheren Schmelzpunkt als das zu schmelzende Material haben muss.
Das Heizelement kann ein Induktionsheizelement sein, das vorzugsweise mindestens eine Induktionsheizspule zum Erwärmen eines im Tiegel befindlichen Ausgangsmaterials aufweist. Beim Verwenden einer Induktionsheizspule erfolgt das Erhitzen also durch Hochfrequenz (HF)-Induktion. Vorzugsweise ist die Induktionsheizspule um die Wärmeisolierung neben dem Tiegel gewickelt.
Figurenliste
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die Figuren beschrieben. In den Figuren:

1: zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Züchten eines Volumeneinkristalls darstellt;
2: zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Züchten eines Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristalls darstellt;
3: zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Züchtungsaufbaus zum Züchten eines Volumeneinkristalls;
4: zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines wärmeisolierenden Deckels mit einer Verschlussfunktion im geöffneten Zustand a) und im geschlossenen Zustand b);
5: zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines wärmeisolierenden Deckels mit einer Verschlussfunktion im geöffneten Zustand a) und im geschlossenen Zustand b);
6: zeigt in a) einen grafische Graustufen-Intensitätsdarstellung einer ausgewählten Bragg-Reflexion, die vom Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall erstellt wurde, der in einer Fotografie in b) gezeigt ist, und in c) die Summenspektren, die innerhalb der Fläche des Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristalls erfasst wurden;
7: zeigt ein chemo-mechanisch poliertes (001)-orientiertes Ba₂ScNbO₆-Einkristallsubstrat mit einer lateralen Ausdehnung von 10 mm;
8: zeigt eine Transmissionselektronenmikroskop (TEM)-Aufnahme einer Struktur, die ein Ba₂ScNbO₆-Einkristallsubstrat und eine darauf epitaktisch aufgewachsene BaSnO₃-Kristallschicht aufweist;
9: zeigt schematisch eine Scheibe eines weiteren Ausführungsbeispiels eines wärmeisolierenden Deckels mit Verschlussfunktion;
10: zeigt schematisch eine Scheibe eines weiteren Ausführungsbeispiels eines wärmeisolierenden Deckels mit einer Verschlussfunktion;
11: zeigt schematisch eine Scheibe eines weiteren Ausführungsbeispiels eines wärmeisolierenden Deckels mit einer Verschlussfunktion.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Züchten eines Volumeneinkristalls darstellt. Das Züchtungsverfahren kann z.B. mit einem Züchtungsaufbau durchgeführt werden, wie er in Bezug auf 3 beschrieben ist.
In einem ersten Schritt S1 wird ein Ausgangsmaterial in einen Tiegel eingebracht. Das Ausgangsmaterial wird in getrockneter Pulverform mit einer Reinheit von 99,99 % bereitgestellt. In verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen des Verfahrens weist das Ausgangsmaterial Verunreinigungen im 1 %-Bereich und Dotierstoffe im 5 %-Bereich auf. Es ist vorteilhaft, wenn vor dem Einbringen des Ausgangsmaterials in den Tiegel eine Pulvermischung aus dem Ausgangsmaterial hergestellt wird, z.B. enthaltend Wiegen, Mischen und Kalzinieren der Pulver der verschiedenen chemischen Spezies.
Hier wird das Ausgangsmaterial als loses Pulver in den Tiegel eingebracht. Vor dem Schmelzen kann das lose Pulver im Inneren des Tiegels verdichtet werden. Bei verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen ist es jedoch bevorzugt, dass das Ausgangsmaterial vor dem Einbringen in den Tiegel verdichtet wird. Das Verdichten des Ausgangsmaterials vor dem Einbringen des Ausgangsmaterials in den Tiegel wird oft bevorzugt, weil dadurch der Tiegel besser mit Ausgangsmaterial gefüllt werden kann und das Ausgangsmaterial im Tiegel effizienter geschmolzen werden kann.
Das Ausgangsmaterial kann z.B. Sauerstoff in Kombination mit einer Kationenspezies enthalten, die mehrere Oxidationszustände annehmen kann. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Ausgangsmaterial mindestens Ba, Sc, Nb und O enthält.
Nach dem Einbringen wird das Ausgangsmaterial in Schritt S2 im Tiegel durch Erhitzen des Ausgangsmaterials, z.B. mit einem Heizelement, geschmolzen. Wird das Ausgangsmaterial in verdichteter Form, z.B. in Form eines zylindrischen Stabes, in den Tiegel eingebracht, sinkt der Stab beim Schmelzen in den unteren Teil des Tiegels ab.
Nach dem Schmelzen des Ausgangsmaterials zu einer Schmelze wird in Schritt S3 ein wärmeisolierender Deckel in einem Abstand über einer Schmelzoberfläche dieser Schmelze angeordnet, um die von der Schmelzoberfläche emittierte Strahlung zu blockieren. Insbesondere wird der wärmeisolierende Deckel über der Schmelzoberfläche derart angeordnet, dass zumindest ein zentraler Teil der Schmelzoberfläche durch den Deckel abgedeckt wird. Vorzugsweise wird der Deckel nahe an der Schmelzoberfläche angeordnet, z.B. in einer Entfernung zwischen 1 mm und 10 mm. In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist es jedoch vorteilhaft, wenn der wärmeisolierende Deckel über der Schmelzoberfläche in einem Abstand zwischen 1 mm und 100 mm angeordnet ist. Der wärmeisolierende Deckel kann auch in weiteren Ausführungsbeispielen vor dem Schmelzen des Ausgangsmaterials oder während des Schmelzens des Ausgangsmaterials über der Schmelze oder dem ungeschmolzenen Ausgangsmaterial angeordnet werden.
Mit dem in einem Abstand über der Schmelzoberfläche angeordneten wärmeisolierenden Deckel wird in Schritt S4 aus der Schmelze ein Volumeneinkristall gezüchtet. Dabei keimen Kristalle an der Tiegelwand und es kommt zu einer Kornauswahl und kontinuierlichen Kornvergrößerung zum zentralen Teil des Tiegels hin, so dass der Volumeneinkristall von der Tiegelwand zum zentralen Teil des Tiegels hin wächst.
Kristallwachstum wird durch steuerbares Abkühlen der Schmelze mit dem über der Schmelzoberfläche angeordneten wärmeisolierenden Deckel erreicht. Das steuerbare Abkühlen der Schmelze kann passiv erfolgen, z.B. durch Reduzieren der von einem Heizelement bereitgestellten Wärme über einen vordefinierten Zeitraum und/oder aktiv, z.B. durch Leiten eines Inertgasstroms auf die Schmelzoberfläche.
Beim Durchführen der oben beschriebenen Verfahrensschritte zum Züchten eines Volumeneinkristalls wird der Tiegel vorzugsweise in einer Inertgasatmosphäre, z.B. Argon- oder Stickstoffatmosphäre, vorzugsweise unter Umgebungsdruck, angeordnet.
2 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Züchten eines Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristalls darstellt. Das Verfahren zum Züchten eines Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristalls kann z.B. mit Hilfe eines Züchtungsaufbaus durchgeführt werden, wie in Bezug zu 3 beschrieben. Das mit Bezug zu 2 beschriebene Züchtungsverfahren stellt eine Variante des in 1 beschriebenen Züchtungsverfahrens dar.
In dem durch das Flussdiagramm in 2 dargestellten Züchtungsverfahren wird ein Ausgangsmaterial, das mindestens Ba, Sc, Nb und O enthält, in getrockneter Pulverform mit einer Reinheit von 99,99 % bereitgestellt. Das Ausgangsmaterial kann auch Dotierstoffe, z.B. MgO und/oder CaO mit einem Gehalt von weniger als 5 Mol-% enthalten. Das Ausgangsmaterial wird dann in Schritt B1 in den Tiegel eingebracht. In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird vor dem Einbringen des Ausgangsmaterials in den Tiegel aus dem Ausgangsmaterial eine Pulvermischung hergestellt, die mindestens Ba, Sc, Nb und O enthält. Eine Möglichkeit, die Pulvermischung aus dem Ausgangsmaterial herzustellen, ist das Wiegen, Mischen und Kalzinieren der getrockneten Pulver. Das Kalzinieren des Ausgangsmaterials kann z.B. in Luft bei 1300°C für 12 Stunden durchgeführt werden. Die aus dem Ausgangsmaterial hergestellte Pulvermischung wird dann in den Tiegel eingebracht. Häufig ist es insbesondere für den Füllvorgang und das anschließende Schmelzen vorteilhaft, dass das Ausgangsmaterial oder eine daraus hergestellte Pulvermischung verdichtet wird. Beispielsweise kann das Ausgangsmaterial zu einem zylindrisch geformten Stab verdichtet werden, der dann in den Tiegel eingebracht wird. Eine mögliche Art, das Ausgangsmaterial zu verdichten, ist das Verwenden von kaltisostatischen Pressen mit 0,2 GPa.
Das im Tiegel befindliche Ausgangsmaterial wird dann in Schritt B2 durch Erhitzen des Ausgangsmaterials geschmolzen. Um das Ausgangsmaterial zu einer Schmelze zu schmelzen, wird der Tiegel mindestens auf den Schmelzpunkt eines Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristalls erhitzt. Um deutlich über dem Schmelzpunkt eines Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristalls zu liegen, kann der Tiegel z.B. auf eine Temperatur von 2200°C erhitzt werden.
Nach dem Schmelzen des Ausgangsmaterials wird in Schritt B3 ein wärmeisolierender Deckel in einem Abstand über einer Schmelzoberfläche der Schmelze angeordnet, um die von der Schmelzoberfläche emittierte Strahlung zu blockieren. Insbesondere wird der wärmeisolierende Deckel über der Schmelzoberfläche derart angeordnet, dass zumindest ein zentraler Teil der Schmelzoberfläche durch den Deckel abgedeckt wird. Vorzugsweise wird der Deckel nahe an der Schmelzoberfläche angeordnet, z.B. in einer Entfernung zwischen 1 mm und 10 mm. In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist es jedoch vorteilhaft, wenn der wärmeisolierende Deckel über der Schmelzoberfläche in einem Abstand zwischen 1 mm und 100 mm angeordnet wird. Der wärmeisolierende Deckel kann in weiteren Ausführungsbeispielen auch vor dem Schmelzen des Ausgangsmaterials oder während des Schmelzens des Ausgangsmaterials über der Schmelze oder dem nicht geschmolzenen Ausgangsmaterial angeordnet werden.
Die im Tiegel befindliche Schmelze wird dann - passiv und/oder aktiv - steuerbar abgekühlt, um aus der Schmelze einen Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall zu züchten B4. Während des Wachstums des Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristalls wird der wärmeisolierende Deckel über der Schmelzoberfläche angeordnet, um die von der Schmelzoberfläche emittierte Wärmestrahlung zu blockieren und eine spezifische Temperaturverteilung zu erzeugen, die das Kristallwachstum begünstigt. Eine solche für das Kristallwachstum vorteilhafte Temperaturverteilung kann einen Temperaturgradienten mit niedrigeren (kälteren) Temperaturen in der Nähe der Tiegelwand und höheren (heißeren) Temperaturen im zentralen Teil des Tiegels umfassen.
Mit den in Bezug zu 1 beschriebenen Züchtungsverfahren und insbesondere mit der in Bezug zu 2 beschriebenen Variante dieses Züchtungsverfahrens kann ein Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall mit einem Volumen von mehr als 5 mm × 5 mm × 5 mm (Länge × Breite × Höhe) gezüchtet werden. Folglich können aus mit den in den in Bezug zu 1 und 2 beschriebenen Verfahren gezüchteten Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristallen Ba₂ScNbO₆-Einkristallsubstrate hergestellt und in der Elektronikindustrie zum Herstellen von elektronischen Bauelementen verwendet werden.
3 zeigt schematisch einen Züchtungsaufbau 300 im Längsschnitt zum Züchten eines Volumeneinkristalls. Der Züchtungsaufbau 300 kann zum Durchführen der in den mit Bezug zu 1 und 2 beschriebenen Züchtungsverfahren verwendet werden.
Der Züchtungsaufbau umfasst einen Tiegel 302, der in eine Wärmeisolierung 304 eingebettet ist. Die Wärmeisolierung 304 kann z.B. ZrO₂ und Al₂O₃ enthalten. Der Tiegel selbst kann z.B. aus Iridium oder Platin bestehen. Vorzugsweise hat der Tiegel 302 eine zylindrische Form. Der Tiegel 302 kann jedoch auch in anderen Formen realisiert werden, z.B. kann der Tiegel 302 eine halbkugelförmige Form haben oder der Tiegel 302 kann würfelförmig sein. Mit größeren Tiegeln können größere Volumeneinkristalle gezüchtet werden. Daher wird vorzugsweise für das Züchten eines Volumeneinkristalls mit einer bestimmten Größe ein entsprechender Tiegel gewählt, der auch nicht zu groß ist, um zum Schmelzen des Ausgangsmaterials benötigte Energie zu sparen. Für das Züchten eines Volumeneinkristalls mit einem Volumen von ungefähr 15 mm × 15 mm × 15 mm (Länge × Breite × Höhe) kann z.B. ein Tiegel mit einem Innendurchmesser von 30 mm und einer Höhe von 50 mm verwendet werden.
Der Tiegel 302 ist mit einer gelochten Scheibe 303 abgedeckt, die vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Tiegel 302 besteht, z.B. Iridium oder Platin. Die Lochscheibe 303 dient zum Blockieren der von der Schmelzoberfläche ausgehenden Wärmestrahlung. Die Lochscheibe 303 ist optional und nicht zwingend erforderlich, um einen Volumeneinkristall zu züchten, z.B. durch Anwenden einer der mit Bezug zu den 1 oder 2 beschriebenen Züchtungsverfahren.
Der Züchtungsaufbau 300 umfasst ferner ein Heizelement 306, das zum Schmelzen eines Ausgangsmaterials angeordnet und ausgebildet ist, das sich im Tiegel 302 befindet und geschmolzen wird. Insbesondere weist das Heizelement 306 eine Induktionsheizspule auf, die um den Tiegel 302 gewickelt ist. Das Erhitzen des Ausgangsmaterials zu einer Schmelze erfolgt also durch Hochfrequenz (HF)-Induktion hauptsächlich in den Tiegel und Tiegeldeckel.
In dem Züchtungsaufbau 300 wird eine Schmelze 308 gezeigt. In einem Abstand über der Schmelze 308, die sich im Tiegel 302 befindet, ist ein wärmeisolierender Deckel 310 angeordnet, der zumindest teilweise die Oberfläche der Schmelze 308 abdeckt. Insbesondere ist der wärmeisolierende Deckel 310 zum Beeinflussen und Steuern der Temperaturverteilung in der Schmelze 308 angeordnet, die sich im Tiegel 302 befindet, um das Kristallwachstum von der Tiegelwand zum Zentrum des Tiegels hin zu begünstigen. Der wärmeisolierende Deckel 310 kann einen Verschluss aufweisen, wie er in Bezug auf die 4a und 4b und die 5a und 5b sowie die 9, 10 und 11 beschrieben ist. Mit einem wärmeisolierenden Deckel mit einem Verschluss kann der Anteil der Schmelzoberfläche, der vom wärmeisolierenden Deckel während des Züchtens eines Volumeneinkristalls abgedeckt wird, eingestellt werden. Der wärmeisolierende Deckel 310 kann z.B. aus Iridium hergestellt werden. Insbesondere wenn das Ausgangsmaterial Ba, Sc, Nb und O enthält und der Züchtungsaufbau 300 zum Züchten eines Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristalls verwendet wird, kann der wärmeisolierende Deckel 310 aus einem scheibenförmigen Stück Ba₂ScNbO₆ hergestellt werden.
Der wärmeisolierende Deckel 310 ist als Halterung an einem Arm 312 befestigt, mit dem der wärmeisolierende Deckel 310 angehoben oder näher an die Oberfläche der Schmelze 308 gebracht werden kann. Der Arm erstreckt sich vertikal durch das Loch der Lochscheibe 303, so dass der am Arm befestigte wärmeisolierende Deckel angehoben werden kann. Der Arm kann z.B. an seinem Ende außerhalb des Tiegels ein Schraubgewinde haben und kann manuell bewegt werden. Es ist auch möglich, dass der Arm automatisch angehoben werden kann, z.B. mit einem elektrisch angetriebenen Motor, der mit dem Arm verbunden ist.
Dieser Züchtungsaufbau ist besonders nützlich für das Züchten eines Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristalls, insbesondere mit dem mit Bezug auf 2 beschriebenen Verfahren.
Die 4a, 4b und 5a, 5b zeigen schematisch zwei verschiedene Ausführungsbeispiele eines wärmeisolierenden Deckels mit Verschlussfunktion. Die wärmeisolierenden Deckel mit einer Verschlussfunktion, wie sie mit Bezug auf die 4a, 4b und 5a, 5b beschrieben sind, können als wärmeisolierende Deckel in einem Züchtungsaufbau, wie er mit Bezug auf 3 beschrieben ist, verwendet werden. Durch Öffnen und Schließen des Verschlusses kann der Anteil der Schmelzoberfläche, der von der Wärmeisolierung bedeckt ist, eingestellt werden. Dementsprechend kann die Menge der Wärmestrahlung, die aus dem Tiegel entweichen kann, mit dem Verschluss eingestellt werden. Der Verschluss kann auf unterschiedliche Weise ausgeführt werden, wobei die 4a, 4b und 5a, 5b nur vereinfachte ausgewählte Beispiele zeigen. Insbesondere kann die Verschlussgeometrie des wärmeisolierenden Deckels an bestimmte Züchtungsszenarien angepasst werden.
Der wärmeisolierende Deckel 400 mit der in den 4a und 4b dargestellten Verschlussfunktion weist zwei übereinander angeordneten Scheiben 402, 404 auf, die den gleichen Mittelpunkt haben. Beide Scheiben können den gleichen Durchmesser, aber auch unterschiedliche Durchmesser haben, wie in den 4a und 4b dargestellt. Beide Scheiben umfassen eine Vielzahl von kreisförmigen Perforationen 406, 408, wobei die Perforationen 406, 408 beider Scheiben 402, 404 entlang des Umfangs von Kreisen mit gleichem Durchmesser verteilt sind. Ferner sind die beiden Scheiben 402, 404 derart übereinander angeordnet, dass sie relativ zueinander gedreht werden können. Wie in 4a dargestellt, können die beiden Scheiben 402, 404 dann so angeordnet werden, dass die Perforationen der einen Scheibe 402 mit den Perforationen der anderen Scheibe 404 kongruent sind. Dann ist der Verschluss geöffnet und der Anteil der Schmelzoberfläche, der von der Wärmeisolierung abgedeckt ist, ist minimal. In 4b ist das Gegenteil der Fall, nämlich dass die beiden Scheiben 402, 404 so übereinander angeordnet sind, dass sich die Perforationen 406, 408 der beiden Scheiben 402, 404 nicht überlappen, so dass der Anteil der Schmelzoberfläche, der von der Wärmeisolierung abgedeckt ist, maximal ist. Selbstverständlich können die beiden Scheiben 402, 404 derart übereinander angeordnet werden, dass ein überlappender Zustand zwischen vollständig offen und vollständig geschlossen vorliegt.
Auch ein wärmeisolierender Deckel, der eine Verschlussfunktion hat, kann mehr Perforationen, Perforationen unterschiedlicher Größe und Form und eine Vielzahl von Perforationen haben, die in einem unterschiedlichen Muster angeordnet sind. Zum Beispiel in einem Muster wie in den 5a und 5b gezeigt. Vergleichbar mit dem wärmeisolierenden Deckel 400, wie er mit Bezug auf die 4a und 4b beschrieben ist, weist der wärmeisolierende Verschluss 500 der 5a und 5b zwei Scheiben 502, 504 auf, die jeweils eine Vielzahl von Perforationen 506, 508 aufweisen. Wie mit Bezug auf die 4a und 4b beschrieben, können die beiden Scheiben 502, 504 relativ zueinander gedreht werden, um den Verschluss zu schließen oder zu öffnen. Dabei zeigt 5a den wärmeisolierenden Deckel 500 mit einem Verschluss in seinem geöffnetem Zustand und 5b zeigt den wärmeisolierende Deckel 500 mit einem Verschluss in seinem geschlossenem Zustand.
Hier sind die Perforationen 506, 508 dreieckig geformt, wobei eine der Spitzen dem Rand der Scheiben 502, 504 am nächsten liegt. Für eine bestimmte Gestaltung einer Temperaturverteilung der Schmelze kann es von Vorteil sein, wenn jedes der Dreiecke um 180° gedreht ist, so dass die kürzeste Kante dem Rand der Scheiben 502, 504 am nächsten liegt.
In verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen eines wärmeisolierenden Deckels, der einen Verschluss aufweist, wird der Verschluss durch ein oder mehrere Fenster realisiert, die geöffnet oder geschlossen werden können. Durch die Wahl eines Öffnungswinkels des einen oder der mehreren Fenster kann die Menge der von der Schmelzoberfläche pro Zeitperiode emittierten Wärmestrahlung gesteuert werden.
Es ist auch möglich, einen einen Verschluss aufweisenden wärmeisolierenden Deckel durch einen wärmeisolierenden Deckel mit einer Vielzahl von Perforationen zu realisieren, so dass jede durch einen entsprechenden Deckel geschlossen werden kann. Ein solcher Deckel zum Verschließen einer Vielzahl von Perforationen kann auch aus einem Stück gefertigt werden, so dass die Vielzahl von Perforationen in einem Schritt geschlossen und geöffnet werden kann.
6 zeigt in a) eine grafische Graustufen-Intensitätsdarstellung einer ausgewählten Bragg-Reflexion, die von dem in b) fotografierten Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall erstellt wurde. Die in a) gezeigte Messung wurde am Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall innerhalb des durch den weißen Kasten in b) angegebenen Bereichs durchgeführt. Der Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall wurde aus der Schmelze unter Verwenden eines Iridiumtiegels mit dem mit Bezug auf 2 beschriebenen Verfahren gezüchtet und hat ein Volumen von 17 mm × 17 mm × 15 mm (Länge × Breite × Höhe).
Der Bereich in a), der von den weiß gestrichelten Linien umgeben ist, stellt den Einkristallbereich des Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristalls dar. Dieser in 6b) gezeigte Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall ist somit Teil eines größeren multikristallinen Volumens. Geringe Unterschiede in der Intensität des Bragg-Peaks hängen mit topographischen Effekten zusammen, da der Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall im wie-gewachsenen Zustand gemessen wurde. In c) sind die innerhalb des Einkristallbereichs erfassten Summenspektren dargestellt.
7 zeigt ein DIG (Differential Interference Contrast)-Mikroskopiebild eines chemo-mechanisch polierten (001)-orientierten Ba₂ScNbO₆-Einkristallsubstrats mit einer Oberfläche von 10× 10 mm². Das Ba₂ScNbO₆-Einkristallsubstrat wurde aus dem in 6b) gezeigten Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall hergestellt.
8 zeigt transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Mikroskopiebilder bei verschiedenen Vergrößerungen in a), b) und c) einer Mehrschichtstruktur, die ein Ba₂ScNbO₆-Einkristallsubstrat und eine darauf epitaktisch gezüchtete 250 nm dicke undotierte BaSnO₃-Kristallschicht umfasst, gefolgt von einer 130 nm dicken La-dotierten BaSnO₃-Schicht, die so dotiert ist, dass sie eine freie Elektronenkonzentration von 3×10¹⁹ cm^-3 hat. Insbesondere in c) ist deutlich zu erkennen, dass an der Grenzfläche (durch die gestrichelte Linie gekennzeichnet) zwischen dem Ba₂ScNbO₆-Einkristallsubstrat und der BaSnO₃-Kristallschicht der Mehrschichtstruktur eine hohe strukturelle Perfektion vorliegt. Dies ist auf die hohe strukturelle Qualität des Ba₂ScNbO₆-Einkristallsubstrats selbst zurückzuführen. Für die gezeigte Mehrschichtstruktur, die das einkristalline Ba₂ScNbO₆-Substrat und eine 250 nm dicke undotierte BaSnO₃-Kristallschicht umfasst, gefolgt von einer 130 nm dicken La-dotierten BaSnO₃-Schicht, ergibt sich eine durchschnittliche Versetzungsdichte (TDD) von weniger als 10⁸ Versetzungen pro cm² und einer Halbwertsbreite (FWHM) ihrer Rocking-Kurve, die gleich 23 Bogensekunden (0,006°) ist. Elektrische Transportmessungen an diesem Film, die mit der Hall-Effekt-Methode durchgeführt wurden, zeigen, dass die Schicht eine Konzentration von 3×10¹⁹ Elektronen cm^-3 enthält und dass die Beweglichkeit dieser Elektronen bei Raumtemperatur 190 cm²V^-1s^-1 übersteigt. Diese Beweglichkeit ist höher als alle bisher in der Literatur berichteten und ist ein Hinweis auf die Elektronenbeweglichkeit, die in elektronischen Geräten erreicht werden kann, die diese Filme verwenden, z.B. in einem Feldeffekttransistor.
Die 9, 10 und 11 zeigen Ausführungsbeispiele von Scheiben, die als Scheiben eines Ausführungsbeispiels eines wärmeisolierenden Deckels mit Verschlussfunktion verwendet werden. Wie in den 4a, 4b, 5a und 5b weist jeder wärmeisolierende Deckel zwei Scheiben mit identischer Form auf, die zum Öffnen und Schließen des Verschlusses gegeneinander verdreht werden können. Durch geeignete Gestaltung der Löcher und Öffnungen in solchen Deckeln sowie die gegenseitige Drehung zwischen ihnen kann die Temperaturverteilung der Schmelze gesteuert werden, was sich wiederum auf die Keimbildung und das Wachstum des Kristalls im Tiegel auswirkt.
9 zeigt schematisch eine von zwei Scheiben 900 mit identischer Form, die als wärmeisolierende Deckel mit Verschlussfunktion fungieren. Die Scheibe 900 erstreckt sich über drei Quadranten eines Kreises. Der vierte Quadrant 904, der eine Öffnung bildet, ist bis auf einen kleinen inneren Kreis zur Befestigung der Scheibe offen gelassen, so dass wenn sie in einem Abstand über einer Schmelzoberfläche angeordnet ist, die von der Schmelzoberfläche emittierte Wärmestrahlung durch die Öffnung entweichen kann, wenn die vierten Quadranten 904 beider Scheiben zumindest teilweise überlappend angeordnet sind. In einem Beispiel bleibt die näher an der Schmelze angeordnete Scheibe oben auf dem Tiegel fixiert, während die darüber angeordnete Scheibe in Bezug auf die andere Scheibe gedreht werden kann. In anderen Beispielen können beide Scheiben gedreht werden. Wenn die beiden Scheiben 900, die einen wärmeisolierenden Deckel bilden, kongruent angeordnet sind, ist die Öffnung maximal. Durch weiteres Drehen der Scheiben gegeneinander, verringert sich die Fläche der Öffnung, so dass die Menge der Wärmestrahlung, die entweichen kann, reduziert wird. Der Verschluss kann geschlossen werden, indem die beiden Scheiben so zueinander angeordnet werden, dass die Öffnung im vierten Quadranten 904 der jeweiligen Scheiben 900 vollständig von der jeweils anderen Scheibe abgedeckt wird. Wenn der Tiegel, der durch den wärmeisolierenden Deckel mit den beiden Scheiben 900 abgedeckt werden soll, einen Innendurchmesser von 42 cm hat, können auch die Scheiben des wärmeisolierenden Deckels einen Durchmesser von 42 cm haben. Vorzugsweise hat jede der Scheiben 900 eine Dicke von 1,5 cm.
10 zeigt schematisch eine von zwei Scheiben 910 mit identischer Form, die als wärmeisolierender Deckel mit Verschlussfunktion fungieren. Die Scheibe 910 ist ähnlich konstruiert und funktioniert wie die in 9 gezeigte Scheibe. Es werden also nur Unterschiede zur Scheibe 900 aus 9 beschrieben. Zusätzlich zu der Öffnung im vierten Quadranten 914 weist die Scheibe 910 im zweiten Quadranten 912, der der Öffnung im vierten Quadranten gegenüberliegt, eine Vielzahl von länglichen, gekrümmten Perforationen 915 auf, die in radialer Richtung der Scheibe 910 in gleichmäßigen Abständen angeordnet sind. Ein wärmeisolierender Deckel, der zwei der gezeigten Scheiben 910 umfasst, kann je nach Anordnung der Scheiben zueinander eine Vielzahl von Öffnungszuständen aufweisen. Beispielsweise können die Öffnung und die Perforationen 915 von der jeweils anderen Scheibe vollständig abgedeckt oder unbedeckt bleiben. Es ist auch möglich, dass nur die Perforationen 915 jeder Scheibe offen sind, wenn die Öffnung des vierten Quadranten 914 der jeweils anderen Scheibe den zweiten Quadranten 912 mit den Perforationen 915 überlappt. Darüber hinaus hat die Scheibe 910 eine zentrale Öffnung 916 zur Aufnahme einer Halterung für den wärmeisolierenden Deckel.
11 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer von zwei Scheiben 920 mit identischer Form, die als wärmeisolierende Deckel mit Verschlussfunktion fungieren. Die Scheibe 920 ist ähnlich konstruiert und funktioniert wie die in 9 gezeigte Scheibe. Es werden also nur Unterschiede zu der Scheibe 900 aus 9 beschrieben. Der vierte Quadrant 924 und der zweite Quadrant 922 in diesem Ausführungsbeispiel haben keine Öffnungen oder Perforationen. Stattdessen ist im ersten Quadranten 921 und im dritten Quadranten 923 eine Vielzahl von länglichen, gekrümmten Perforationen 925 angeordnet, die in radialer Richtung der Scheibe 920 in gleichmäßigen Abständen angeordnet sind, wobei die Perforationen 925, die näher am Zentrum der Scheibe 920 liegen, eine geringere Dicke aufweisen als die Perforationen 925, die weiter vom Zentrum entfernt sind. Wie die Scheibe 910 in 10 hat die Scheibe 920 eine zentrale Öffnung 926 zur Aufnahme einer Halterung für den wärmeisolierenden Deckel.

Claims

Verfahren zum Züchten eines Volumeneinkristalls, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst - Einbringen eines Ausgangsmaterials in einen Tiegel, - Schmelzen des Ausgangsmaterials im Tiegel durch Erhitzen des Ausgangsmaterials, - Anordnen eines wärmeisolierenden Deckels in einem Abstand über einer Schmelzoberfläche der Schmelze derart, dass zumindest ein zentraler Teil der Schmelzoberfläche durch den Deckel abgedeckt wird, und - Züchten des Volumeneinkristalls aus der Schmelze durch steuerbares Abkühlen der Schmelze mit dem über der Schmelzoberfläche angeordneten wärmeisolierenden Deckel.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abkühlen der Schmelze passiv gesteuert wird, indem die von einem Heizelement bereitgestellte Wärme über eine vordefinierte Zeitspanne reduziert wird und/oder aktiv gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Abstand, in dem der wärmeisolierende Deckel über der Schmelzoberfläche der Schmelze angeordnet ist, zwischen 1 mm und 100 mm, vorzugsweise zwischen 5 mm und 20 mm ist, noch bevorzugter ist der wärmeisolierende Deckel in einem Abstand von 10 mm über der Schmelzoberfläche angeordnet.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Ausgangsmaterial vor dem Schmelzen und vorzugsweise vor dem Einbringen des Ausgangsmaterials in den Tiegel verdichtet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Tiegel in einer Inertgasatmosphäre, vorzugsweise in einer Argon- oder Stickstoffatmosphäre, angeordnet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Ausgangsmaterial Sauerstoff in Kombination mit einer Kationenspezies aufweist, die mehrere Oxidationszustände annehmen kann, und der Volumeneinkristall ein Oxid aufweist, das mindestens eine Kationenspezies enthält, die mehrere Oxidationszustände annehmen kann, oder noch bevorzugter mindestens eines der Elemente Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Niob, Molybdän, Wolfram oder Tantal, und der Volumeneinkristall ein Oxid aufweist, vorzugsweise ein Oxid von Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Niob, Molybdän, Wolfram oder Tantal.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Ausgangsmaterial mindestens Ba, Sc, Nb und O aufweist und wobei der erzeugte Volumeneinkristall ein Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Ausgangsmaterial zusätzlich MgO und/oder CaO mit einem Anteil von weniger als 5 Mol-% aufweist und der erzeugte Volumeneinkristall ein mit Mg und/oder Ca dotierter Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, zusätzlich umfassend Abtrennen des Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall von einer multikristallinen oder polykristallinen Matrix, die den Ba₂ScNbO₆-Einkristall zumindest teilweise umgibt.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 9, zusätzlich umfassend Abschneiden einer Scheibe des Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristalls.
Verfahren nach Anspruch 10, zusätzlich umfassend Herstellen eines Ba₂ScNbO₆-Substrats aus der Scheibe mit einem Durchmesser in lateraler Ausdehnung, der gleich oder größer als 6 mm, vorzugsweise gleich oder größer als 8 mm, noch bevorzugter gleich oder größer als 10 mm ist.
Volumen-Ba₂ScNbO₆-Einkristall mit einer Querschnittsfläche, die gleich oder größer als 6 mm × 6 mm, vorzugsweise gleich oder größer als 8 mm × 8 mm, noch bevorzugter gleich oder größer als 10 mm × 10 mm ist.
Einkristall nach Anspruch 12 mit kubischer Symmetrie und einem Gitterparameter von 412 pm.
Einkristall nach Anspruch 12 oder 13, mit einem Schmelzpunkt von 2165+/- 30 °C in einer Inertgasatmosphäre bei Umgebungsdruck.
Einkristallines Ba₂ScNbO₆-Substrat mit einem Durchmesser in lateraler Ausdehnung, der gleich oder größer als 6 mm, vorzugsweise gleich oder größer als 8 mm, noch bevorzugter gleich oder größer als 10 mm ist.
(Multi-)Schichtstruktur, umfassend das einkristalline Ba₂ScNbO₆-Substrat nach Anspruch 15 und eine oder mehrere Kristallschichten, die auf dem Ba₂ScNbO₆-Substrat aufgewachsen sind.
(Multi-)Schichtstruktur nach Anspruch 16, wobei die eine oder mehreren Kristallschichten einen Perowskit, vorzugsweise mindestens einen der Perowskite BaSnO₃, LaInO₃, BiScO₃, PbZrO₃, SrZrO₃, SrHfO₃, PrInO₃, LaScO₃, SrSnO₃, BaHfO₃, LaLuO₃, CeLuO₃, PrLuO₃, NdLuO₃, CeYbO₃, PrYbO₃ oder BaZrO₃ aufweisen und/oder die eine oder mehreren Kristallschichten mindestens einen der Perowskitmischkristalle PbZr_1-xTi_xO₃ (PZT), PbCa_1-xTi_xO3 (PCT), oder Ba_1-xSr_xSnO₃ aufweisen, wobei x eine Zahl zwischen 0 und 1 ist, und/oder die eine oder mehreren Kristallschichten mindestens einen der relaxor-ferroelektrischen Mischkristalle PbMg_1/3Nb_2/3O₃-PbTiO₃ (PMN-PT), PbZn_1/3Nb_2/3O₃-PbTiO₃ (PZN-PT), und PbIn_1/2Nb_1/2O₃-PbMg_1/3Nb_2/3O₃-PbTiO₃ (PIN-PMN-PT) aufweisen.
(Multi-)Schichtstruktur nach Anspruch 16 oder 17, wobei eine der einen oder mehreren Kristallschichten eine BaSnO₃-Kristallschicht ist, die direkt auf dem Ba₂ScNbO₆-Substrat gezüchtet ist, wobei die BaSnO₃-Kristallschicht eine durchschnittliche Versetzungsdichte von weniger als 10⁸ Versetzungen pro cm² und/oder eine Elektronenbeweglichkeit von mehr als 190 cm²V^-1s^-1 und/oder eine Halbwertsbreite (FWHM) ihrer Rocking-Kurve, die kleiner oder gleich 23 Bogensekunden (0,006°) ist, hat.
Elektronische Vorrichtung mit einer (Multi-)Schichtstruktur nach wenigstens einem der Ansprüche 16 bis 18.
Züchtungsaufbau zum Züchten eines Volumeneinkristalls aus einer Schmelze, umfassend - einen Schmelztiegel, - ein Heizelement, das zum Schmelzen eines im Tiegel befindlichen Ausgangsmaterials zu einer Schmelze angeordnet und ausgebildet ist, und - ein wärmeisolierender Deckel zum Abdecken zumindest eines zentralen Teils einer Schmelzoberfläche einer im Tiegel befindlichen Schmelze.
Züchtungsaufbau nach Anspruch 20, wobei der wärmeisolierende Deckel einen Verschluss aufweist und derart ausgebildet ist, dass durch Öffnen und Schließen des Verschluss der Anteil der Schmelzoberfläche, der durch den wärmeisolierenden Deckel abgedeckt wird, einstellbar ist.
Züchtungsaufbau nach Anspruch 20 oder 21, wobei der Tiegel in eine Wärmeisolierung eingebettet ist.
Züchtungsaufbau nach den Ansprüchen 20 bis 21, wobei der Tiegel ein Iridiumtiegel ist.
Züchtungsaufbau nach den Ansprüchen 20 bis 22, wobei der Tiegel ein Skulltiegel ist, der von einem Pulver gebildet ist, das mindestens die gleichen chemischen Elemente wie das Ausgangsmaterial enthält, aus dem der Volumeneinkristall gezüchtet werden soll.
Züchtungsaufbau nach wenigstens einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei das Heizelement ein Induktionsheizelement ist, das vorzugsweise mindestens eine Induktionsheizspule zum Erhitzen eines in dem Tiegel befindlichen Ausgangsmaterials aufweist.
Züchtungsaufbau nach wenigstens einem der Ansprüche 20 bis 25, wobei der wärmeisolierende Deckel von Iridium oder von mindestens den gleichen chemischen Elementen wie das Ausgangsmaterial, aus dem der Volumeneinkristall gezüchtet werden soll, gebildet ist.
Züchtungsaufbau nach wenigstens einem der Ansprüche 20 bis 26, wobei der Tiegel mit einer gelochten Scheibe abgedeckt ist.