DE1161854B - Verfahren zum Herstellen eines kristallinen Koerpers - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES -007WW PATENTAMT Internat. Kl.: B Ol d

AUSLEGESCHRIFT

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 12c-2

1 161 854
U 8538 IVc/12 c
15. Dezember 1961
30. Januar 1964

Es ist bekannt, Kristalle dadurch herzustellen, daß pulveriges Ausgangsmaterial durch einen zwischen einer rohrförmigen und einer dazu konzentrischen stabförmigen Elektrode brennenden Lichtbogen hindurch in Richtung auf einen vertikal verstellbaren Stab, der einen Keimkristall trägt, geführt wird. In dem Lichtbogen wird das Pulver geschmolzen. Es wächst dann auf den Keim auf. Dabei wird inertes Gas, ζ. B. Argon, um die Stabelektrode geleitet.

Das Inertgas soll die Aufwachszone abdecken und Verunreinigung des wachsenden heißen Körpers verhindern. Außerdem bewirkt es eine richtige Wärmeverteilung beim monokristallinen Aufwachsen.

Dabei werden aber in kleinen Mengen im Ausgangsmaterial des Körpers vorhandene, unerwünschte Oxyde in das Kristallprodukt eingeschlossen. Solche Oxyde beeinträchtigen dessen Qualität.

Es wurde gefunden, daß diese Schwierigkeiten bei einem Verfahren zum Herstellen eines kristallinen Körpers aus festem Ausgangsmaterial, das in einem elektrischen Lichtbogen zwischen einer nicht abschmelzenden und einer vertikal verstellbaren Stabelektrode geschmolzen und auf der verstellbaren Elektrode abgeschieden wird, wobei ein Inertgasstrom in die Aufwachszone der verstellbaren Elektrode geführt wird, vermieden werden und ein günstigerer Energieverbrauch und das Wachstum größerer monokristalliner Körper erzielt wird, wenn erfindungsgemäß dem Inertgas Wasserstoff in einer Menge von 0,5 bis 50 Volumprozent zugeführt wird.

Insbesondere werden 1 bis 10 Volumprozent Wasserstoff angewendet. Die folgende Tabelle zeigt die Wirkung der Wasserstoffkonzentration in der Gasatmosphäre der Aufwachszone auf die Leistung, die zur Aufrechterhaltung einer geschmolzenen Kuppe an einem Wolframstab mit 6,5 mm Durchmesser erforderlich ist.

Verfahren zum Herstellen
eines kristallinen Körpers

Anmelder:

Union Carbide Corporation, New York, N. Y.

(V. St. A.)

Vertreter:

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

Als Erfinder benannt:

Merle Howard Weatherly, Indianapolis, Ind.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 16. Dezember 1960

(Nr. 76 218)

	Erforderliche	Leistungsminderung 40	45	0
Wasserstoff	Leistung	für eine geschmolzene	6,2
konzentration		Kuppe desselben	8,1
	(Watt)	Durchmessers	15,8
(Volumprozent)		(Prozent von 1600 Watt)	14,5 50
	1600	17,6
0	1500	17,2
0,5	1470
1,0	1348
2,5	1368
4,5	1318
8,0	1325
40,0

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der beanspruchten Arbeitsweise ergeben sich aus der Beschreibung der bekannten Vorrichtung und den Beispielen.

Es zeigt

F i g. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung, wobei das feste Ausgangsmaterial in Form eines Stabes in den Lichtbogen eingeführt wird,

F i g. 2 einen Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung, wobei das feste Ausgangsmaterial in Form von Pulver in den Lichtbogen eingeführt wird.

Bei der Vorrichtung nach der Fig. 1 sind eine erste Stabelektrode 10, vorzugsweise aus thoriertem Wolfram, sowie eine bewegliche zweite Elektrode 11 nahe übereinander koaxial angeordnet. Durch eine Zahnstange 12, die in ein Zahnrad 13 eingreift, wird die Elektrode auf und ab bewegt. Die Elektrode 11 kann auch, um ein gleichförmiges Wachstum zu erhalten, gedreht werden. Der Keimkristall 14 wird auf die Elektrode 11 gesetzt, wenn eine besondere kristallographische Ausrichtung verlangt wird.

Die Elektrode 10 ist von einem konzentrisch angeordneten Rohr 15 mit einem dazwischenliegenden Ringraum für die Einführung eines Gasstromes umgeben, der die Elektrode 10 umhüllt und gegen Verunreinigung durch das geschmolzene Material des Körpers schützt. Der aus dem Rohr 15 austretende

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Gasstrom hüllt außerdem den freibrennenden Lichtbogen 15 a und den Kristallkeim 14 ein, wodurch der Wachstumsvorgang gegen atmosphärische Verunreinigungen abgeschirmt wird. Die Elektrode 10 muß von dem Gasstrom nicht vollständig umhüllt werden. Die Aufwachszone 15 b ist von einer gasdichten Kammer 16 mit Auslaßöffnung 17 umgeben. Sie soll die Wärmeabfuhr aus der Aufwachszone 15 b möglichst klein halten und den erforderlichen Temperaturgradienten an der Schmelzkuppe 18 des Körpers 19 aufrechterhalten und einen Betrieb bei Drücken oberhalb oder unterhalb Atmosphärendruck gestatten.

Die Stabelektrode 10 liegt über die Leitung 21 an dem negativen Pol einer Gleichstromquelle 20, während der positive Pol über die Leitung 22 mit der zweiten Elektrode 11 verbunden ist. Man kann aber auch mit entgegengesetzter Polung oder mit Wechselstrom arbeiten.

Das drahtförmige Ausgangsmaterial 23 wird mittels Rollen 24 durch die Wand der Kammer 16 in die Aufwachszone 15 b geführt, wo es geschmolzen und auf dem Körper 19 abgeschieden wird. Er hat dieselbe kristallographische Orientierung wie der Kristallkeim 14. Die Elektrode 11 wird allmählich abgesenkt, um die Lichtbogenlänge angemessen konstant zu halten.

In Fig. 2 wird das feste Ausgangsmaterial als Pulver in einem korbförmigen Sieb 128 innerhalb eines Trichters 129 bereitgehalten und periodisch aus dem Sieb vermittels eines Zapfens 130, der von der Oberseite des Siebes zur Außenseite des Trichters 129 geht und der von einem rotierenden Nocken 132 betätigten Hammer 131 angeschlagen wird, herausgeklopft. Ein Argon tritt durch die Leitung 133 in den Trichter 129 ein und befördert das Pulver durch die Trichterauslaßleitung 134 in einen Ringraum 135 zwischen der äußeren Wandung des die erste Elektrode 110 enthaltenden Rohres 115 und eines konzentrisch dazu angeordneten Rohres 136. Das Austragende des Rohres 136 ist eingeschnürt, um das das Pulver enthaltende Trägergas koaxial zur Aufwachszone 115 b auszurichten. Das in diese Zone fallende Pulver wird im Lichtbogen 115 a erwärmt, geschmolzen und auf der Schmelzkuppe 118 des Körpers 119 abgeschieden. Der Körper 119 ist bereits auf den auf der Elektrode 111, die mittels Zahnstange 112 und Zahnrad 113 verstellbar ist, aufgesetzten Keimkristall 114 aufgewachsen.

Durch die Öffnung 137 kann Gas in die Kammer 116 ein- und durch die Öffnung 138 austreten. Die Elektroden 110, 111 sind über Leitungen 121, 122 mit der Stromquelle 120 verbunden.

Bei beiden beschriebenen Vorrichtungen wird der Wasserstoff zusammen mit dem Schutzgas, das die ringförmigen Kanäle 15, 115 durchfließt, eingeführt. Er kann auch unmittelbar in die Kammern 16 und 116 oder sogar zusammen mit dem pulvertragenden Gas bei der Vorrichtung nach der F i g. 2 eingeführt werden.

Beispiel 1

In einer Vorrichtung entsprechend der F i g. 1 wurde ein freibrennender, nicht eingeschnürter Lichtbogen bei einer Stromstärke von etwa 15 bis 20 Ampere und bei 18 bis 20 Volt Spannung in einer Kammer zwischen einer thorierten Wolframstabkathode von 3,2 mm Durchmesser und einer Wolframanode von 6,5 mm Durchmesser erzeugt. Argon wurde mit 0,283 m^:Vh in die Kammer eingeleitet. Ein Argon-Wasserstoff-Gemisch, das 0,260 m³ Argon und 0,023 m³ Wasserstoff enthielt, wurde längs der Kathode sowie um die Anode herumgeführt. Das Gasgemisch in der Aufwachszone enthielt somit etwa 8 Volumprozent Wasserstoff. Wolframdraht mit etwa 1,6 mm Durchmesser wurde der geschmolzenen Kuppe an der Wolframanode zugeführt. Der Lichtbogenstrom wurde dann allmählich auf 250 Ampere gesteigert und der Körper abgesenkt. Der entstandene Körper hatte einen Durchmesser von 1,47 cm. Ein Versuch unter gleichen Bedingungen, aber mit reinem Argon als Inertgas, lieferte einen Wolframkörper mit einem Durchmesser von 1,27 cm. Der Wasserstoffzusatz ermöglichte es somit, den Körperdurchmesser bei konstanter Lichtbogenleistung um 16°/o zu vergrößern.

Beispiel 2

Entsprechend Beispiel 1 wurde Argongas mit 0,2832 m³/h in die Kammer eingeleitet und ein Argon-Wasserstoff-Gemisch mit 0,2813 m³ Argon und 0,0019 m³ Wasserstoff längs der Kathode und um die Anode herumgeführt. Das Gasgemisch in der Aufwachszone enthielt somit etwa 0,67 Volumprozent Wasserstoff. Ein Lichtbogen wurde bei einer Stromstärke von 15 bis 20 Ampere und bei 18 Volt Spannung gezündet. Die Stromstärke wurde allmählich auf 125 Ampere gesteigert, während ein Wolframdraht von 1,6 mm Durchmesser in die Schmelzkuppe eingeführt wurde. Der entstandene Körper hatte einen Durchmesser von 0,95 cm, eine Länge von 5,05 cm und ein Gewicht von 37 g. Seine äußere Oberfläche war wesentlich reiner als diejenige bei einer Atmosphäre mit Argon allein.

Ähnliche Ergebnisse wurden mit anderen Materialien erzielt. Ein Zusatz von 1,5 bis 3 Volumprozent Wasserstoff führte bei Titandiboridkörpern zu Verminderung ihres Sauerstoffgehalts von 0,05 Gewichtsprozent auf 0,007 Gewichtsprozent.

Zugaben von Wasserstoff von nur etwa 0,5 Volumprozent verbessern also die Qualität des hergestellten Körpers. Wenn der Wasserstoffgehalt bis zu 10 Volumprozent gesteigert wird, nimmt der Körperdurchmesser bei einem gegebenen Leistungswert zu bzw. die für dieselbe Körpergröße erforderliche Leistung ab. Bei Wasserstoffkonzentrationen über 50 Volumprozent besteht kein merklicher Gewinn.

Auf Kristallkeimen, deren (HO)- oder (11 ^Richtungen parallel zur Körperachse liegen, aufgewachsene Kristalle weisen eine verminderte Fehlorientierung des Kristallbaus auf, wenn bis zu 8 Volumprozent Wasserstoff benutzt wurden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines kristallinen Körpers aus festem Ausgangsmaterial, das in einem elektrischen Lichtbogen zwischen einer nicht abschmelzenden und einer vertikal verstellbaren Stabelektrode geschmolzen und auf der verstellbaren Elektrode abgeschieden wird, wobei ein Inertgasstrom in die Aufwachszone der verstellbaren Elektrode geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Inertgas Wasserstoff in einer Menge von 0,5 bis 50 Volumprozent zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff mit dem Inertgas vor der Zuführung gemischt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff der Aufwachszone der verstellbaren Elektrode gesondert zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff der Aufwachszone der verstellbaren Elektrode zusammen mit dem zu schmelzenden Material zugeführt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1089 367.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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