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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von künstlichen Edelsteinen
oder Halbedelsteinen oder von zur spanabhebenden Bearbeitung geeigneten Hartstoffen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von künstlichen Edelsteinen
oder Halbedelsteinen oder von zur spanabhebenden Bearbeitung geeigneten Hartstoffen
mit extrem hohem Schmelzpunkt durch Umschmelzen von künstliche Edelsteine oder Halbedelsteine
bzw. Hartstoffe bildenden Stoffen und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffe
in an sich bekannter Weise tiegelfrei zonengeschmolzen werden. Auf diese Weise ist
gegenüber den bisher für das Umschmelzen solcher Stoffe bekannten Verfahren eine
wesentliche Vereinfachung und ein höherer Reinheitsgrad erzielbar, weil es durch
das tiegelfreie Zonenschmelzen ermöglicht wird, Fremdstoffe fernzuhalten, die unerwünschte
Verunreinigungen mit sich führen. Das Verfahren wurde aus diesem Grunde bekanntlich
für Metalle und Metalloide, insbesondere für Silicium, zur Erzielung eines besonders
hohen Reinheitsgrades oder einer vorbestimmten, vorzugsweise mönokristallinen Struktur
verwendet.
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Die bisher bekannten Verfahren zum Umschmelzen von künstliche Edelsteine
oder Halbedelsteine bzw. Hartstoffe bildenden Stoffen, bei denen mit einem Gemisch
aus Brenngas und Sauerstoff eine Stichflamme erzeugt wird, sind nur für die Herstellung
von solchen künstlichen Edelsteinen brauchbar, deren Grundbestandteil ein Oxyd ist,
z. B. künstliche Rubine und blaue Saphire, die aus Al 0, erschmolzen werden.
Demgegenüber können hrch Anwendung des tiegelfreien Zonenschmelzverfahrens auch
Verbindungen von Kohlenstoff mit Elementen der IV. Nebengruppe des Periodischen
Systems, insbesondere Titancarbid, oder auch mit solchen der V. Nebengruppe (Vanadium,
Niob, Tantal) hergestellt werden. Derartige Verbindungen gehören wegen ihrer großen
Härte zu den sogenannten Hartstoffen, die unter anderem für spanabhebende Bearbeitungswerkzeuge
verwendet werden können. Ferner kann Sihciumcarbid auf diese Weise in Form praktisch
reiner, durchsichtiger Kristalle hergestellt werden. Das Verfahren eignet sich auch
unter anderem zur Herstellung von Siliciumborid, das noch härter ist als Diamant.
Die .Schmelztemperaturen der genannten Stoffe liegen durchweg oberhalb 2000° C.
Die nach dem Verfahren hergestellten Körper sind wegen ihres hohen Reinheitsgrades
z. B. auch für Schmuckzwecke besonders gut brauchbar.
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Wie das tiegelfreie Zonenschmelzverfahren, für dessen einzelne Merkmale
kein selbständiger Schutz beansprucht wird, für den neuen Verwendungszweck besonders
vorteilhaft durchgeführt werden kann, soll an Hand der Zeichnung näher erläutert
werden. F i g. 1 zeigt ein Beispiel einer grundsätzlichen Anordnung zur Ausübung
des Verfahrens in schematischer Darstellung; in F i g. 2 ist eine Vorrichtung zu
seiner praktischen Durchführung angegeben.
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Gemäß F i g. 1 ist ein stabförmiger Körper, der aus einem an sich
bekannten, zur Erzeugung künstlicher Edelsteine oder Halbedelsteine geeigneten Grundmaterial
beispielsweise in zerkleinerter Form durch Pressen oder Sintern hergestellt sein
kann, mit seinem unteren Ende in einem Fuß 4 befestigt, z. B. eingespannt. Sein
oberes Ende wird vorteilhaft mit einer Aufhängevorrichtung 5, 6 pendelnd aufgehängt.
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Mit Hilfe eines in, F i g.1 nicht dargestellten, z. B. ringförmigen
Heizkörpers kann mit der Verflüssigung einer Querschnittszone 3, deren Dicke beispielsweise
in der Größenordnung einiger Millimeter liegt, je nach den Gewichtsverhältnissen
oder mit Rücksicht auf andere Eigenschaften der Grund- und Zusatzstoffe von oben
oder von unten her begonnen werden. Man kann die Schmelzzone 3 wiederholt in der
gleichen Richtung oder auch hin und her wandern lassen. Die Wanderungsgeschwindigkeit
kann geregelt werden.
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Statt in der gezeichneten senkrechten Lage, in der die flüssige Querschnittszone
3 genau oder angenähert waagerecht liegt, kann der zu behandelnde
Stab
1, 2 auch in einer Schräglage angeordnet sein. Auch in diesem Falle kann zunächst
eine Trennung des Stabes in zwei Teile vorgenommen und der eine Teil beweglich angeordnet
bzw. aufgehängt werden. Unter Umständen ist allerdings ein beiderseitiges Einspannen
vorzuziehen. Gegebenenfalls kann der Stab während der Behandlung langsam um seine
Längsachse gedreht werden, damit der flüssige Teil nicht wegfließt. Ferner kann
statt einer den ganzen Stabquerschnitt erfassenden Zone nur ein Teil des Stabquerschnittes
verflüssigt werden, so daß der festbleibende Querschnittsteil als Träger dient.
Die Wärmequelle, etwa ein Strahlheizkörper, kann einseitig wirkend angeordnet sein
oder mit optischen Hilfsmitteln auf den Schmelzstab gelenkt werden, derart, daß
der Stabquerschnitt nur etwa bis zur Achse des Stabes verflüssigt wird. Dazu können
auch in an sich bekannter Weise die Sonnenstrahlen als Heizmittel verwendet werden.
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Andere an sich bekannte Heizverfahren, die sich für die Durchführung
der Erfindung eignen, sind Beschuß mit Elektronen im Hochvakuum, wobei der Schmelzstab
die Anode bildet, oder Ionenbeschuß mit dem Schmelzstab als Kathode und zweckmäßig
in eiüer Gasatmosphäre, z. B. Argon.
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In der in F i g.1 dargestellten Lage, in der die Befestigungsvorrichtungen
4, 5, 6 übereinanderhegen, ist es besonders leicht möglich, mehrere Teile gleicher
oder verschiedener Substanz lose aneinanderzureihen bzw. aufeinanderzustapeln und
sie so beim Durchwandern der flüssigen Zone, in diesem Falle zweckmäßig in der Richtung
von oben nach unten, zu .einem einzigen Stab zusammenzuschmelzen.
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Die flüssige Querschnittszone kann Verdickungen oder Einschnürungen
aufweisen, die nach der Erstarrung Querschnittsungleichmäßigkeiten ergeben können.
Deshalb kann es zweckmäßig sein, die beiden der Schmelzzone benachbarten Teile der
Halbleiteranordnung zur Erzielung eines gleichen Querschnittes über eine gegebene
Länge während des Schmelzvorganges bzw. der Wanderung der Schmelzzone. in der -
durch den Doppelpfeil 7 angegebenen Längsrichtung, also senkrecht zur flüssigen
Querschnittszone, gegeneinander zu verschieben.
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Es kann ferner vorteilhaft sein, die flüssige Querschnittszone mit
Schall oder Ultraschall zu beeinflussen oder mechanisch, magnetisch oder elektrisch
in Vibration zu versetzen, wie an sich bekannt. Man kann auch während des Schmelzvorganges
einen elektrischen Strom - Gleich- oder beispielsweise induktiv erzeugten Wechselstrom
- mindestens durch den verflüssigten Teil des Stabes hindurchschicken. Zur Herstellung
von Einkristallen kann ein als Impfkristall dienender Einkristall an dem Ende des
Stabes, an welchem der Ziehvorgang beginnt, zunächst in an sich bekannter Weise
aasgeschmolzen werden.
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Das beschriebene Verfahren ermöglicht es, den Stabkörper
1 auch nachträglich noch, z. B. zur Erzielung einer gewünschten Farbe, mit
passenden Zusatzstoffen zu durchsetzen. Zu diesem Zweck kann vorher eine entsprechende
Menge eines oder mehrerer Zusatzstoffe auf den Stabkörper aufgeschmolzen werden.
Statt dessen kann das eine Ende des Stabes von vornherein. einen vorgegebenen Gehalt
eines Zusatzstoffes haben, von dem durch die flüssige Querschnittszone ein bestimmter
Anteil in den übrigen Teil des Stabes eingeschleppt wird. An Stelle der reinen Zusatzsubstanz
kann ein mit dem gewünschten Zusatzstoff angereichertes Stabmaterial als Ausgangsstoff
verwendet werden.
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Zur weiteren Verbesserung des Verfahrens im Sinne einer günstigen
Beeinflussung des Aufbaues und der Gestalt des Schmelzlings kann eines seiner beiden
Enden in verhältnismäßig rasche Umdrehungen versetzt werden. Es ist an sich bekannt,
einen im Entstehen begriffenen Schmelzung zur Erzielung einer rotationssymmetrischen
Form in Drehung zu versetzen. Im vorliegenden Falle wird die Drehzahl zweckmäßig
höher als die zur Erzielung eines rotationssymmetrischen Schmelzlings erforderliche
gewählt. Durch eine genügend hohe Drehzahl kann ferner erreicht werden, daß im Inneren
der Schmelzzone befindliche ungelöste Fremdstoffe, die ein höheres spezifisches
Gewicht haben als das geschmolzene Material, durch die Fliehkraft an die Außenfläche
des Schmelzlings befördert werden. Dort können sie dann später durch Abätzen des
Schmelzlings freigelegt und auf mechanischem Wege leicht, z. B. durch Abkratzen,
entfernt werden.
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Zu vermeiden ist, daß die Drehbewegung längere Zeit hindurch mit einer
Drehzahl erfolgt, die mit der Eigenfrequenz des geschmolzenen Materials in der Schmelzzone
übereinstimmt. Die Drehzahl wird daher vorteilhaft so gewählt, daß sie entweder
unterhalb oder oberhalb der Resonanzdrehzahl liegt. Besonders zweckmäßig ist eine
Drehzahl von 300 bis 400 U/min. Unter 200 U/min sollte man nach Möglichkeit mit
der Drehzahl nicht herabgeben. Es lassen sich aber auch nach einem verhältnismäßig
raschen und infolgedessen unschädlichen Durchgang durch den Resonanzbereich Drehzahlen
über 1000, insbesondere bis zu 2000 U/min, erreichen. Unter Umständen kann es zweckmäßig
sein, die Drehzahl während der Behandlung zu verändern und dadurch den Aufbau des
Schmelzlings in seiner Längsrichtung verschieden zu beeinflussen, z. B. auch bei
der Zuführung von Zusatzstoffen.
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Man kann entweder das obere Stabende oder das untere Stabende umlaufen
lassen, indem man der betreffenden Halterung eine Drehbewegung erteilt. Bleibt das
andere Stabende ruhend, so ergibt sich innerhalb der Schmelzzone in der Richtung
der Stabachse eine Verteilung der Umlaufgeschwindigkeit, derart, daß sie von der
mit dem umlaufenden Ende gemeinsamen Grenze bis zu der mit dem ruhenden Ende gemeinsamen
Grenze stetig, und zwar annähernd linear bis zum Wert Null abnimmt. Man kann auch
beide Stabenden gleichzeitig umlaufen lassen, und zwar entweder gleichsinnig oder
auch gegenläufig. In letzterem Falle ergibt sich der Vorteil, daß der Verlauf der
Umlaufgeschwindigkeit an einer Stelle zwischen den beiden Grenzen der flüssigen
Zone durch den Wert Null hindurchgeht. An dieser Stelle tritt also keine Fliehkraft
auf. Die Lage dieser Stelle ergibt sich aus dem Verhältnis der Drehzahlen der beiden
Stabenden. Bei gleicher Drehzahl und gegenläufigen Drehrichtungen liegt die Stelle
gerade in der Mitte der Schmelzzone, d. h. an ihrer heißesten Stelle, wo sonst die
Gefahr, daß flüssige Materialteile abtropfen oder abgeschleudert werden, am größten
ist. Dieser Gefahr wird durch die gegenläufige Drehbewegung der beiden Stabenden
besonders wirksam begegnet.
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In F i g. 2 ist eine Vorrichtung im Schnitt dargestellt, welche für
die Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Vorteil verwendet werden
kann.
Danach ist der Schmelzstab 1, 2 in ein Quarzrohr 9 eingeschlossen und zwischen zwei
Halterungen 4 und 19 eingespannt, die an den Enden von Wellen 20 und 21 sitzen.
Die Welle 20 ist durch die untere Fassung 22 für das Quarzrohr 9 vakuumdicht hindurchgeführt
und sowohl drehbar als auch unabhängig davon in Achsrichtung verschiebbar, ebenso
die Welle 21, die durch die obere Fassung 22 hindurchgeführt ist. An den Fassungen
22 befinden sich Stutzen 25, durch welche der Innenraum der Einrichtung luftleer
gemacht oder mit Schutzgas gefüllt werden kann. Das Ganze ruht auf einer Platte
24 mit Füßen 23. Auf der Platte ist auch eine Führungseinrichtung 26 befestigt,
an der ein Schlitten 27 gleitet, der durch eine Spindel 28 auf und ab bewegt werden
kann. Die Welle der Spindel 28 wird von einem Hilfsmotor 29 über ein übersetzungsgetriebe
30 angetrieben, beispielsweise derart, daß sich der Schlitten 27 mit einer Geschwindigkeit
von der Größenordnung 1 bis 10 mm/min nach oden oder nach unten bewegt. Zur Erzeugung
der erforderlichen Wärme in der Schmelzzone 3 ist an dem Schlitten 27 eine Heizspule
10 befestigt, die z. B. aus Kupferrohr besteht und mit einem hochfrequenten Strom
von mehreren MHz gespeist und von Kühlwasser durchströmt wird. Zum Anschluß der
Hochfrequenzspannung dienen die Klemmen 31.
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Im Inneren des Quarzrohres 9 ist ein zur Induktionsspule 10 gehörender
Konzentrator 11 vorgesehen. Ein Konzentrator ist an sich bekannt. Er besteht aus
gut stromleitendem Material, z. B. aus Kupfer, und dient dazu, das Magnetfeld einer
Spule, deren Windungen verhältnismäßig weit gewickelt sind, auf einen engeren Raum
zu konzentrieren und dadurch Blindleistung zu sparen. In vorliegendem Falle wird
durch den Konzentrator der Abstand zwischen der Wandung des Quarzrohres 9 und der
flüssigen Zone 3 des Schmelzlings 1, 2 zum großen Teil ausgefüllt.
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Das über die Zuführung 13 kühlbare Rohr 12 ist in der Durchführung
14 in Achsrichtung beweglich, so daß der Konzentrator gemeinsam mit der Heizspule
10 auf und ab bewegt werden kann. Zu diesem Zweck besitzt die Spindel 28
eine Verlängerung 38 nach unten, auf welcher eine Wandermutter 37 mit einem Haltearm
36 zur Befestigung des Rohres 12 läuft. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß
der Konzentrator 11 stets gemeinsam mit der Heizspule 10 bewegt wird und
stets die gleiche Lage relativ zu ihr einnimmt.
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Zur Einleitung des Schmelzverfahrens muß der in kaltem Zustand nichtleitende
Stab 1, 2 zunächst vorgewärmt werden. Zu diesem Zweck ist in der Nähe des oberen
Endes des Stabes ein geschlossener Ring 17 aus Wolfram- oder Molybdänblech
od. dgl. vorgesehen. Er wird durch kleine Drähte 16 aus gleich hitzebeständigem
Material gehalten, die mit dem Ende des Stabteiles 2 zusammen in ein Quarzröhrchen
15 eingeklemmt sind, mit welchem das Stabende in die obere Halterung 19 eingesetzt
ist.
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Zu Beginn eines Ziehvorganges wird die Heizspule 10 zugleich
mit dem Konzentrator 11 so weit nach oben gefahren, daß sich der Ring 17
im Feldbereich befindet und infolgedessen nach Einschaltung des Hochfrequenzstromes
zum Glühen gebracht wird. Dadurch wird die Temperatur und mithin auch die Leitfähigkeit
des Stabteiles 2 an der betreffenden Stelle so weit erhöht, daß auch in seinem Inneren
von der Spule 10 induzierte Ströme fließen können und somit die örtliche
Verflüssigung dort ihren Anfang nehmen und in der Richtung nach unten durchgeführt
werden kann. Wird gewünscht, daß der erste Durchgang in umgekehrter Richtung stattfindet,
so kann man die vom Ringstrahler hervorgerufene Glühzone als solche mit der Heizspule
bei verminderter Leistungszufuhr durch den Stab hindurchlaufen lassen bis nahe an
das untere Ende, um dort durch Erhöhung der zugeführten Hochfrequenzleistung eine
flüssige Zone 3 zu schaffen. Statt dessen oder außerdem kann auch am unteren Ende
an der Halterung 4 ein Strahlungsheizkörper angebracht sein.
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Ferner kann ein ähnlicher oder andersartiger Strahlungsheizkörper
zum Vorwärmen des der Schmelzstelle 3 benachbarten Teiles des noch zu schmelzenden
Stabendes 1 vor der Hauptheizeinrichtung, d. h. also unterhalb des Konzentrators
11, vorgesehen und zweckmäßig mit diesem fest verbunden sein, ebenso oberhalb
des Konzentrators 11 gegebenenfalls ein weiterer Heizkörper zum Nachwärmen
des soeben erstarrten Stabteiles.
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Erforderlichenfalls kann das Schutzrohr 9 künstlich gekühlt werden.
Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine Blaseinrichtung vorgesehen sein, durch
welche das Schutzrohr mit einem gasförmigen Kühlmittel, z. B. mit Luft, angeblasen
wird.
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Mit der Erfindung hergestellte Edelsteine, Halbedelsteine od. dgl.
können außer als Schmuck auch als Lagersteine für Uhren und andere Meßinstrumente
aller Art, als Schleifmittel, Schneid- und Bohrwerkzeuge und für optische Geräte
verwendet werden.