DE1067409B - Verfahren zur Herstellung eines synthetischen einkristallinischen Körpers. ' - Google Patents

Description

Saphir oder Korund oder andere Edelsteine besitzen bestimmte Eigenschaften, die sie für viele Zwecke zusätzlich zu ihrem Wert als Schmuck außerordentlich wertvoll machen. Die chemische Trägheit und mechanische Festigkeit der Saphire machen diese besonders geeignet für bestimmte optische Arbeiten. Wegen ihrer Infrarotdurchlässigkeit sind sie zusammen mit den obenerwähnten Eigenschaften für Infrarotsysteme sehr erwünscht. Beispielsweise können dünne Scheiben aus Saphir in polierte Platten eingesetzt werden und dienen so als ausgezeichnete Fenster für öfen hoher Temperatur. Seit vielen Jahren besteht daher ein besonderes Bedürfnis an synthetischen einkristallinischen Körpern für solche Zwecke, die einen größeren Durchmesser haben als diejenigen, die mit den bekannten Verfahren hergestellt werden können.

Synthetische Saphire und andere Materialien, wie Rutil und Spinell, werden im allgemeinen aus Formkörpern hergestellt, die durch Schmelzen und Ansammeln eines geeigneten Materials auf einem Träger gebildet werden, der einer Knallgasflamme ausgesetzt ist und fortschreitend von dieser Flamme wegbewegt wird, wenn der Formkörper größer wird, um eine genaue Beziehung zwischen der Oberfläche des Formkörpers und der Flamme aufrechtzuerhalten. Wenn der Formkörper gemäß diesem Verfahren, das als Verneuil-Verfahren allgemein bekannt ist, hergestellt wird, besitzt er für gewöhnlich eine zylindrische Form, und sein Durchmesser beträgt im allgemeinen nicht mehr als 2,5 cm. Obgleich auf diese Weise auch Formkörper gebildet werden können, die sich dieser Größe nähern oder sie sogar etwas übersteigen, zerbrechen solche Formkörper beim Abschalten des Ofens leicht und sind zur Herstellung von Scheiben großen Durchmessers ungeeignet. Es wird angenommen, daß dieser Bruch auf Grund der Überlagerung von Wärmespannungen hervorgerufen wird, die beim Abkühlen auftreten. Je größer der Formkörperdurchmesser ist, um so größer sind die Gesamtspannungen. Daher mußten bisher synthetische einkristallinische Scheiben im allgemeinen aus diesen Formkörpern mit kleinem Durchmesser geschnitten werden und waren im Durchmesser nicht größer als 2,5 cm.

Es wurde nun gefunden, daß Einkristalle in Form von Scheiben größeren Durchmessers mit verhältnismäßig geringen Wärmespannungen hergestellt werden können, wenn die das pulverförmige Material tragende' Flamme gegen den Kristallkreis gerichtet wird, der sich um eine geometrische Achse dreht. Der Abstand zwischen der Flamme und dem Kristallkeim wird in bekannter Weise entsprechend dessen Anwachsen geändert.

Es ist ein Verfahren bekanntgeworden, welches sich jedoch nicht, wie dasjenige der vorliegenden Erfin-

zur Herstellung eines synthetischen
einkristallinischen Körpers

Anmelder:

Union Carbide Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 12. August 1955

Wilfred Drost, Williamsville, N. Y.,
und Ricaard William Kebler, Speedway, Ind.

(V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

dung, auf das Wachsen von Formkörpern auf eine vorbestimmte Form, sondern auf das Flammschälen und Flammbohren von fertigen Formkörpern bezieht. Das bekannte Verfahren sieht daher die Anwendung einer konzentrierten Flamme zum Wegschneiden unerwünschter Teile des Formkörpers vor, wogegen das Verfahren nach der Erfindung auf der Rotation des Kristallkeimes und Formkörpers während seines Anwachsens zwecks Erzielung der gewünschten endgültigen Form beruht. Das bekannte Verfahren führt zur Materialvergeudung und kostet auch viel Zeit, wenn es für die Herstellung von Scheiben ausgeübt wird.

Die pulverisierten Bestandteile des zu bildenden Kristalls werden vorzugsweise durch eine Knallgasflamme geführt, um die Bestandteile zu schmelzen. Die geschmolzenen Bestandteile werden auf einem Keim, im allgemeinen in Form eines Stabes, gesammelt und kristallisiert, der geeignete Gitterparameter und die gleiche Kristallstruktur besitzt. Die Drehgeschwindigkeit des Stabes ist groß genug, um jeden Punkt der äußeren Kante des sich ergebenden Formkörpers wieder unter die Flamme zu bringen, während er noch geschmolzen ist. Der Formkörper hat einen annähernd kreisförmigen Querschnitt und kann entweder in Form einer Scheibe hergestellt werden, indem die HaJJ
des sogenannten »Keimstabes« axial ortsfeste

net ist, oder auch in verschiedenen Formen, indem der Keimstab eine vorbestimmte Hin- und Herbewegung ausführt. Durch Drehen des Keimstabes wird der Mittelpunkt des Formkörpers in regelmäßigen Abständen unter die Flamme gebracht. Auf diese Weise ist der Temperaturgradient über dem Formkörper während des Anwachsens viel kleiner als bei einem Formkörper vergleichbarer Größe, der gemäß den bekannten Verfahren hergestellt wurde.

Die Erfindung ist in den folgenden Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht, teilweise im Vertikalschnitt und teilweise im Aufriß, einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teiles einer fertigen polierten Scheibe aus einem Scheibenformkörper, der nach dem Verfahren hergestellt wurde,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Bildung von Formkörpern, die dem Keimstab sowohl eine Drehbewegung als auch eine Hin- und Herbewegung erteilt, und

Fig. 4 bis einschließlich 7 verschiedene Formkörper, die durch Änderung der Bewegung des Keimstabes der Fig. 3 hergestellt werden können.

In Fig. 1 der Zeichnungen ist ein kleiner Ofen 10 aus hitzebeständigem Material dargestellt, der aut Blöcken 11 aus dem gleichen Material ruht., welche die Unterseite des Ofens verschließen. Eine öffnung im oberen Ende des Ofens nimmt das Düsenende eines üblichen Knallgasbrenners 12 auf. Durch einen Mittcldurchlaß 13 wird kontinuierlich Sauerstoff und ein pulverisiertes Material, wie kristallisierbares Korundpulver, in bekannter Weise zugeführt. Brenngas, z. B. Wasserstoff, wird dem Düsenende des Brenners 12 durch eine Anzahl Durchlässe 14 zugeleitet, welche den Mitteldurchlaß 13 umgeben. Der Sauerstoff und der Wasserstoff vermischen sich außerhalb des Brenners miteinander und bilden beim Entzünden eine ν außerordentlich heiße, nach abwärts gerichtete 1 Flamme, welche das hindurchgeführte Pulver schmilzt.

Gemäß der Erfindung wird ein an sich bekannter länglicher Einkristall mit gleicher Kristallstruktur wie der zu bildende Formkörper und geeigneten Gitterparametern als Keimstab 15 zur Drehung um eine horizontale Achse so angeordnet, daß sich sein freies Ende durch eine öffnung 27 in der Seitenwandung des Ofens 10 erstreckt, wobei seine Spitze 16 unter die aus dem Brenner 12 austretende Flamme zu liegen kommt. Die Haltevorrichtung für den Keimstab ist in bekannter Weise vertikal beweglich, so daß, wenn der Durchmesser des Formkörpers zunimmt, der Stab fortschreitend abwärts bewegt werden kann, um einen richtigen Abstand zwischen der äußeren Kante des Formkörpers und der Brennerdüse aufrechtzuerhalten. Umgekehrt läßt sich ohne weiteres erkennen, daß der Brenner relativ zum Keimstab bewegt werden kann und daß jede mögliche Relativbewegung der beiden Elemente ausgeführt werden kann, um den gewünschten Zustand zu schaffen.

Die Haltevorrichtung für den Keimstab besteht aus einer hohlen Welle 17, die in einer vertikal bewegbaren Führung 18 ruht, die ihrerseits auf einem Pfosten 19 angeordnet sein kann, an dem eine von einem Ritzel 21 angetriebene Zahnstange 20 befestigt ist. Der Keimstab 15 erstreckt sich durch die hohle Welle 17 und eine an der Welle befestigte Einspannvorrichtung 22,,WeIdIe den Stab mit Bezug auf die Welle festhält, ■ so "daB.er mit dieser gedreht wird. Die Welle 17 wird mit einer Kette 23 angetrieben, die über ein auf der Welle befestigtes Zahnrad 24 läuft. Ein von der Welle getragenes Joch 25 hält einen Strahlungsschirm 26, der unmittelbar vor der öffnung 27 in der Seitenwaudung des Ofens angeordnet ist. Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Anordnung besteht in der verhältnismäßig einfachen Regelung der Wärmeverluste, verglichen mit den bekannten öfen. Hier ist die Unterseite des Ofens ständig geschlossen, wodurch aufsteigende Luftströme vermieden werden. Der Wärmeverlust durch die Seitenwandungsöffnung, durch welche der Keimstab eintritt, wird durch den Strahlungsschirm 26 auf ein Minimum herabgesetzt.

Nach einer anfänglichen Arbeitszeit, während wcleher die Flamme nur zum Schmelzen der Oberfläche des Keimstabes verwendet wird, wird Pulver zugeführt. Das durch die Flamme fallende Pulver schmilzt und sammelt sich in geschmolzenem Zustand auf dem Kristallkeim, wo es bei Fortführung des Vorganges

ao fortschreitend kristallisiert. Die Drehung des Keimstabes ergibt einen scheibenartigen Kristall 15 a. Wenn der Kristall radial nach außen wächst, wird letzterer gesenkt, um dieses Anwachsen auszugleichen, damit eine richtige Beziehung zwischen der geschmolzenen Kante des Kristalls, wo die Abscheidung stattfindet, und der Flamme aufrechterhalten wird. Wenn der Keimstab in Richtung seiner Längsrichtung, wie in Fig. 1 gezeigt, ortsfest gehalten wird, wächst der Kristall in Form einer Scheibe. Diese wird anschließend durch langsames Erwärmen aüt ungelahr—l^UUilL—m einem gasbeheizten Üfen geglüht, einige Stunden auf di T hl d d l b

dieser Temperatur gehalten und dann langsam kuKTT

Wirtschaftlich zufriedenstellende Saphirkristalle, die keine Pulverschichten enthalten und die beim Abkühlen nicht brechen, wurden gemäß dem vorliegenden Verfahren mit Durchmessern hergestellt, die drei- und viermal so groß waren wie die größten bisher erhältlichen Formkörper. Bei der Herstellung größerer derartiger Formkörper auf diese Weise hat es sich als notwendig erwiesen, die Drehgeschwindigkeit des Keimstabes über einer Grenzgeschwindigkeit zu halten. Wenn Formkörper mit mehr als 2,5 cm Durchmesser hergestellt werden, muß der Keimstab mit einer Geschwindigkeit von mehr als 60 U/min gedreht werden. Eine Drehgeschwindigkeit von ungefähr 135 U/min ist bei solchen Formkörpern zweckmäßig, deren Durchmesser 2,5 cm übersteigt. Es scheint, daß erhöhte Drehgeschwindigkeiten notwendig sind, um Formkörper größeren Durchmessers herzustellen, so daß die geschmolzene Schicht auf dem äußeren Umfang der Formkörper sich nicht während der Zeit verfestigt, in welcher sie sich nicht unmittelbar unter der Flamme befindet.

Synthetische Edelsteinkörper, die in der oben beschriebenen Weise gebildet wurden, können verschiedene Formen und Größen besitzen. Es können verhältnismäßig dünne Scheiben gebildet werden, indem der Keimstab in Richtung seiner Achse ortsfest gehalten wird. Diese Scheiben eignen sich insbesondere als Ausgangsmaterialien für Fenster und andere optische Einrichtungen, da sie nur in geringem Ausmaß mit der Säge beschnitten und geschliffen zu werden brauchen, um diese Scheiben in fertige Platten, wie die in Fig. 2 gezeigte, zu verwandeln und es tritt hierbei kein nennenswerter Materialverlust auf. Dickere Scheiben können hergestellt werden, indem der Keimstab längs seiner eigenen Achse, wie schematisch in Fig. 3 gezeigt, hin- und herbewegt wird. Die Gestalt dieser dickeren Scheiben wird durch die Art der Hin- und

Herbewegung des Keimstabes bestimmt. Beispielsweise kann die Amplitude der Hin- und Herbewegung geändert werden, um die Dicke des Formkörpers zu ändern, und die Art der Hin- und Herbewegung kann geändert werden, um eine gewünschte Aufenthaltszeit in der Abscheidungszone für jeden Teil des sich unter der Flamme bewegenden Stabes zu ergeben. Auf diese Weise lassen sich verschiedene Formkörper herstellen, wie die in den Fig. 4 bis 7 gezeigten.

Die Teile in Fig. 3, die denen der Fig. 1 gleich sind, wurden mit gleichen Bezugsziffern versehen.

Der Hauptunterschied zwischen der Fig. 3 und der Fig. 1 besteht in der Befestigung für den Keimstab, welche es der Bedienungsperson ermöglicht, nicht nur eine Dreh- und Vertikalbewegung des Keimstabes 15 in der gleichen Weise, wie in Fig. 1 beschrieben, auszuführen, sondern ihm auch eine Hin- und Herbewegung in der Richtung der Längsachse des Keimes zn erteilen, um die Dicke und Gestalt der Formkörper zu ändern. Hier wird das Keimstab-Lagergehäuse 18 gleitend von Lauf rädern 30 in einer Nutenführung 31 auf einer Plattform 32 gehalten. Das Lagergehäuse 18 wird mittels eines Motors 35 hin- und herbewegt, der mit diesem Gehäuse über ein Rad 34 verbunden ist, wobei ein Ende einer Verbindungsstange 33 exzentrisch auf dem. Rad 34 angebracht und das andere Ende mit einer am Wagen 37 befestigten Stange 36 verbunden ist.

Die kristallographische Orientierung eines Kristalls, der unter Verwendung eines rotierenden Keim-Stabes gebildet wird, stellt eine Fortsetzung der kristallographischen Orientierung des Keimstabes dar und kann daher durch geeignete Wahl des Keimstabes vorher gewählt werden. Für viele Zwecke ist es erwünscht, die Kristalle mit einer bestimmten kristallographischen Orientierung herzustellen. Beispielsweise ist es für viele optische Anwendungen zweckmäßig, daß die kristallographische C-Achse senkrecht zur Formkörperachse liegt. In einem solchen Fall wird ein Keimstab mit einer kristallographischen C-Achsen-Orientierung von 90° C verwendet, d. h., die C-Achse des Stabkristalls liegt senkrecht zur geometrischen Achse des Stabes.

Bei einem speziellen Beispiel wurde eine Saphirscheibe von 5,7 cm Durchmesser unter Verwendung eines 60°-Keimstabes mit einem Durchmesser von ungefähr 2Va Stunden hergestellt. Die anfänglichen Gasströme waren 1,13 cbm/h Sauerstoff und 3,11 cbm/h Wasserstoff. Nachdem die Oberfläche des Keimes geschmolzen ist, beginnt die Pulverzufuhr. Einige Minuten danach werden die Gasströme allmählich auf 1,27 cbm/h Sauerstoff und 3,11 cbm/h Wasserstoff geändert. Die Pulverzufuhrgeschwindigkeit von etwa g pro Stunde wird während des Anwachsens nicht geändert. Es ergibt sich eine Wachsgeschwindigkeit von 30 bis 40 g pro Stunde, die, weil nicht alles Pulver die Scheibe erreicht, ungefähr 80% der Pulverzufuhr beträgt.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Herstellung eines synthetischen einkristallinischen Körpers, bei welchem eine Flamme mit darin geführtem pulverförmigem Material gegen einen Kristallkeim gerichtet wird, der sich uffl eine geometrisch^ Achse dreht, wobei der Abstand zwischen der Flamme und dem Kristallkeim entsprechend dem Anwachsen desselben geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristallkeim um eine praktisch senkrecht zur Flamme liegende Achse gedreht wircT

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Formkörpern mit mehr als 2,5 cm Durchmesser der Kristallkeim mit einer Geschwindigkeit von mindestens 60 U/min, vorzugsweise mit 135 U/min, gedreht wird.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristallkeim längs seiner Drehachse hin- und herbewegt wird. *" "

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 938 669.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 909 639/128 10.59