DE1544278A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines synthetischen Monokristalls - Google Patents

Description

.vonKrÄDg Dr.-Ing. Th. Meyer Dr. FuM Sch-D/ib

Societe d'Electro-Chimie, d'Electro-fietallurgie et des Aeiöries Electriques d'Ugine, Paris 8^e, Rue du General Foy "IO

Υ.£ΐ£§*ίΐ£5:, UPS¹. Vorrichtung^ zur_ Herstellung^ eine_s_ synthetischen -Monokristalls

Die Erfindung betrifft die Herstellung künstlicher Honokristalle, z.B. Rubine, mit einer Qualität, daß sie dort, wo große Reinheit und Homogenität erforderlich ist, wie z.B. bei der Bildung von Lasern, verwendet v/erden können.

Es ist bekannt, daß der Wirkungsgrad eines lasers rait Monokristall nur erhöht wird, wenn der Honokristall, der seinen Resonanzhohlrauia bildet, sehr rein, sehr homogen und praktisch ohne Fehler ist.

Das klassische Verfahren zur Herstellung eines synthetischen Monokristalls, welches unter der Bezeichnung "Verfahren von Verneuil" bekannt ist, besteht darin, einen an der Oberfläche mittels einer Flamme aus einem Knallgasbrenner geschmolzenen Kristeillkeim dadurch zu speisen, daß in die Flamne ein pulverisiertes Gemisch aus Tonerde und Chromoxyd eingeführt AVird. Dieses Verfahren ermöglicht es nicht, mit ausreichender Wiederholbarkeit Monokristalle für Laser herzustellen,' da die durch dieses Verfahren hergestellten Kristalle eine große Anzahl von Struktur-, Reinheits- und Homogenitätsfehlern aufweisen.

Um Monokristalle hoher Qualität zu erzeugen, ist angegeben worden, unter einer überwachten¹Atmosphäre ohne eine Flamme

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zu arbeiten und die Brennerflamme des Verfahrens nach Verneuil durch das Bild eines elektrischen Lichtbogens im Inneren eines abgedichteten Ofens zu ersetzen; vgl. den Artikel von P.A. Halden und R. Sedlacek "Verneuil Crystal Growth in the Arc-Image Furnace", veröffentlicht in "The--Review of Scientific Instruments", Band 34, Nr. 6 vom Juni 1963, Seiten 622 bis 626c Bei der in diesem Artikel beschriebenen Einrichtung ist die von dem Lichtbogen herrührende Warne über eine Spiegelanordnung auf die Oberfläche des Kristallkeims konzentriert, v;ährend die zuzuführenden Materialien in?Pulverform vorbereitet sind, deren Korngröße einen Durchmesser von 10· bis 75 Mikron besitzt. Der Kristall ist während des Wachsens, das durch eine Rotationsbev;egung zum Ausgleich der Temperaturen und eine Translati'onsbewegung zum Halten der Oberfläche in der Brennzone der Spiegel gefördert ist, über Hilfserwärnmngsmittel auf einer Temperatur in der ITähe seines Schmelzpunktes gehalten, die am Ende des Vorgangs ein langsames und gleichmäßiges Abkühlen ermöglichen. Bei dieser Einrichtung stellt jedoch der Austausch der Kohleelektroden des elektrischen Lichtbogens, die bei dem Vorgang verwendet werden, schwierige Probleme und die Spiegel zur Konzentration der Wärme sind oft durch eine Ablagerung von verdampftem oder fein verteiltem Zufuhrmaterial verschmutzt, was die Erhitzung in ihrer Brennzone vermindert, was zur Folge hat, daß die Herstellung nicht genügend kontinuierlich ist, um die Kristalle ohne Fehler bis zu einer für Laser notwendigen Größe wachsen zu lassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von synthetischen Monokriatallen mit Hilfe., der ohne Flaime arbeitenden Schmelzmethode zu vervollkommnen, um Honokristalle ohne Fehler, z.B. der für Laser gewünschten Abmessung, zu i erhalten.

Gemäß dem Verfahren nach der Erfindung wird der Kristallkeim, von dem aus der Monokristall gebildet werden soll, auf einen Support gegeben, der mit Mitteln verbunden ist, die sein progressives Absteigen und/oder seine Rotation gestatten; man bringt progressiv auf den oberen Teil des Keims des Mona-

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kristalls das zu schmelzende Material auf, wobei die Fusion über Mittel sichergestellt wird, die über dem oberen Teil des Honokriotalls die Wärme, die von einer Heizquelle ausgeht, konzentrieren, wobei die Einheit des Trägers, des Monokristalls, der Wärmequelle, der die Wärme konzentrierenden Mittel und die Verteilungsmittel für die zu schmelzende Materie unter einer gesteuerten Atmosphäre angeordnet werden. Bei dem Verfahren werden eine Pusionskamiier und' eine Abkühlkamnier übereinander angeordnet und durch einen thermischen, horizontal verlaufenden Schirm abgetrennt, der den Monoki'istall während seiner Bildung durchläßt ο Die Wärme wird von einem konzentrischen Widerstand ausgesandt, der von dem e:\ektrischen Strom erhitzt 13t und der konzentriert über dem oberen Teil des Monokristalls und über dem Teil de& zu schmelzenden Materials ist, der in Kontakt mit dem oberen Teil des Monokristalls über Mittel steht, die andererseits die Fusionskamnier begrenzen. Der untere, feste Teil des gebildeten Monokristalls steigt in das Innere der Abkühlkammer ab, deren Wandung eine Dispersion der Wärme verhindert und die Temperatur auf ein geeignetes Niveau unter der Wirkung eines elektrischen Stromes absteigen läßt, der sie durchdringt, wobei die notwendige Wärme zur Sicherstellung des Temperaturbereichs entsprechend der gewünschten gesteuerten Abkühlung erzeugt wird

Das zu schmelzende Material wird in Ausgestaltung der Erfindung nach und nach dem Monokristall entsprechend der Geschwindigkeit seiner Bildung zugeführt, und zwar in Form von bereits kristallisiertem Material oder in =n Form eines gefritteten Gemisches, welches die in dem Honokristall gewünschten verschiedenen Oxyde enthält.

Es ist vorteilhaft, das so zugeführte Material vor Erreichen der Fusionszone vorzuwärmen. Zu diesem Zweck kann man das Material in Form von Kügelchen zuführen, deren Durchmesser in der Größenordnung von Millimetern liegt, z.B. zwischen 0,1 und 2 mr.i ■ Diese Kügelchen werden vorteilhaft nacheinander auf die Oberfläche der Schmelszone an der Spitze des in Bildung befindlichen Monokristalls aufgebracht.

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Man kann auch das Material in Form einer Stange ztifulifehT die in dem Ausmaß der Fusion ihres inneren Endes während des Eindringens in die Fusionszone nachgeführt wird. Die so am inneren Ende des Stabes gebildete Flüssigkeit kann vorteilhaft ohne Diskontinuität auf die Spitze des Monokristalls -während seiner Bildung zufließen«

Man kann das inerte Gas wählen, das die gesteuerte Atmosphäre bildet und den Druck regeln. Man kann unter einer Argon-Atmosphäre arbeiten bei einem Druck, der unterhalb oder oberhalb des atmosphärischen Druckes liegt.

Der in Bildung befindliche Monokristall kann in Rotation versetzt werden, ebenso wie der zu schmelzende Materialiitab; die Rotationsgeschwindigkeiten des Monokristalls und des Stabes können gleich oder unterschiedlich sein.

Es muß darauf hingewiesen werden, daß man für die kontrollierte Abkühlung nicht nur einen Abkühlbereich vorsehen darf, in dem_rdie Temperatur der Abkühlkamr.ier regelmäßig und ausgehend von dem Spitzenwert progressiv abnimmt, sondern auch Bereiche, in denen diese Temperatur beliebig geändert wird, was auch aufsteigende Temperaturbereiche einschließt.

Die Einrichtungen nach der Erfindung enthalten Einzeleinrichtungen, von denen einige bekannt sind, deren Vereinigung jedoch notwendig ist, um mit Erfolg dan Verfahren nach der Erfindung ausführen zu können.

Die Einrichtungen zur Realisierung der vorliegenden Erfindung enthalten im wesentlichen einen abgedichteten Eehälter, der mit Mitteln verbunden ist, um dort die gewünschte Atmosphäre zu halten,. Mittel zum Tragen des Monokristalls während seiner Bildung und zur Sicherstellung seiner Längsverschiebung und/ oder seiner Drehbewegung, Mittel zur Sicherstellung der progressiven Speisung des zu schmelzenden Materials, einen horizontal verlaufenden Schirm, der von einer zentralen Öffnung durchbrochen ist und der eine Fusionskammer und eine Abkühlkammer voneinander trennt, einen Heizuiderstand, der in der

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Fusionskammer konzentrisch um die Spitze des Kristalls -während seiner Bildung und/oder des zu schmelzenden Materialteils in Kontakt mit der Schmelzzone an der Spitze des zu "bildenden Kristalls angeordnet ist, Mittel, die in Längsrichtung den oberen Teil der .Fusionskammer "begrenzen und verhindern, daß Wärme nach außen dringt, einen vertikal angeordneten, erhitzten Widerstand für einen elektrischen Strom, der die obere Begrenzung durchdringt und Längswände der Abkühlkammer "bildet, und Mittel zur Verhinderunj von Wärmeverlusten, die in Längsrichtung von diesem Widerstand ausgehen könnten«

Der verwendete Behälter,kann von "bekannter Art sein. Er kann ζ.Β» eine doppelte Wandung "besitzen, die mit den notwendigen Öffnungen versehen ist, um sie in Verbindung zu "bringen mit" den Speiseeinrichtungen für das zu schmelzende Material oder mit den Organen zur Herbeiführung oder zur Aufrechterhaltung der gewünschten Atmosphäre-

Wenn das zu schmelzende Material in Form von Kügelchen zugeführt wird, enthalten die Mittel zur progressiven Zufuhr einen Verteiler und eine Vorwärmeinrichtung«

Man kann jede Verteilereinrichtung verwenden, z.B. einen Körper, in dem ein zylindrischer Rotor mit horizontaler Achse sich dreht, der an seiner Peripherie mit Taschen versehen ist; diese Taschen laufen nacheinander an einer öffnung eines Behälters vorbei, der im oberen Teil des Körpers angeordnet ist, sodann an einer Ausgangsöffnung, die am unteren Teil des Körpers angeordnet ist.

Als verwendbare Sinrichtung für die Vorwärmung am Ausgang des Verteilers kann man eine Einrichtung verwenden, die aus einem Vertikalzylinder besteht, der in der zentralen Öffnung der Mittel, die die Wärmeverluste oberhalb der Fusionskammer begrenzen, angeordnet ist; dieser zentrale Körper ist nach oben und nach unten mit zwei axialen Leitungen und mit gegenüber der Horizontalen geneigten Kanälen versehen, die von der Peripherie ausgehen und ineinander münden, derart, daß

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die in den axialen oberen Weg eindringenden Kagfe^CTi^nr »acheinander den geneigten Kanälen folgen und aus dem inneren Kanal austreten. " .

Eine weitere für die Vorwarnung der Kügelchen verwendbare Einrichtung besteht aus einem vertikalen Vollzylinder, an dessen Peripherie eine schraubenlinienfüriiige Hut eingebracht ist und der von einem Zylinder umgeben ist= I)ie^rje Einrichtung ist, wie die vorstehend beschriebene Einrichtung, in der zentralen Öffnung der Mittel angeordret, die die Wärmeverlusvö oberhalb der Fusionskamr.:er begrenzen

Wenn das zu schmelzende Material in Form einer Stange zugeführt wird, durchdringt diese die zentrale Öffnung der die Wärmeverluste nach oben, ausgehend von der Fuaionskamner, begrenzenden Mittel; sie ist von Mitteln gehalten, die ihren progressiven Vorschub nach unten und/oder ihre Rotation ermöglichen; sie kann durch eine absteigende Hülle bis in die Nähe des Fusionsteils geschützt sein»

Der in der Fusionskamraer angeordnete Heizwiderstand kann verschiedene Formen besitzen» Man kann ihn als dünnes· Bi-V·- ausbilden und diesem die Form eines Kegelstumpfes geben-, Man kann ihn auch durch mehrere Metallspiralen großen Widerstandes bilden, die die Fusionszone im oberen Teil des in Bildung befindlichen Monokristalls und den inneren Teil des zu schmelzenden Stabes umgeben.

Die Fusionskammer ist erfindungsgamäß mit einer Reihe von in Längsrichtung sich erstreckenden, kreisförmigen Abschirmungen versehen und nach oben durch eine Reihe von horizontalen, durch axiale Öffnungen durchbrochene Abschirmungen begrenzt;dabei arbeiten diese verschiedenen Abschirmungen zur Verhinderung der Wärmeverluste, die von der Fusionskaiainer ausgehen, zusammen und sichern jenseits dieser Kammer eine progressive und schnelle Verminderung der Temperatur.

Man kann Sichtstellen vorsehen, die es gestatten, das Innere der Fusionskammer zu beobachten.

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Die Abküh!kammer ist von einem zylindrischen Widerstand "^idcr=:±.=.'4d begrenzt, der von einem elektrischen Strom durchflossen ist und die Wandungen dieser Kammer bildet= Konzen_r trische Schirme umgeben den Widerstand.

Als geeignetes Mateiial zur Bildung der Schirme kann man feuerfeste Metalle verwenden, z.B. Tantal, Molybdän, Wolfram,. Die metallischen Oberflächen können maximal reflektierend ausgebildet sein.

Als geeignetes Material zur Bildung der Widerstände nimmt man Metalle mit iiijtfueionspunki; sehr hohem Widerstand und mit geeignetem elektrischen Widerstand; Tantal, Wolfram kommen in Frage.

Wenn man es wünscht, dem geschmolzenen Teil an der Spitze des Honokristalls ein vorgegebenes Volumen zu geben, kann man v.m die zentrale Öffnung des thermischen Schirmes, der die beiden Kammern voneinander trennt, einen Ring vorsehen, der die Schmelzsone an der Spitze des MonoUristalls an der Achse des letzteren hält.

Die Erfindung wird besser verständlich beim lesen der folgenden Beschreibung und beim Studium der beigefügten Zeichnungen in denen

i?ig. 1 und 2 Teilansichten des Ofens innQusrscbnitt und in Draufsicht sind, der für die !Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung verwendbar ist;

Fig. 3 ein Querschnitt einer Einrichtung zum Verteilen von Kügelchen aus dem zuzuführenden Material ist;

Pig. 4 und 5 im Schnitt dargestellte, schematische Ansichten von Vorwärmeeinrichtungen für die Kügelchen sind und

Pig. 6 eine schematische Ansicht im Schnitt für eine Vorwärneeinrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist mit einer damit verbundenen Einrichtung zur Sicherstellung, des Haltens und des Vorschubs des zugeführten Materials, v;e.L-ehes in

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Figo 1 zeigt im Schnitt den oberen Teil eines Ofe"hs inrt' ITeizwiderständen. Dieser Ofen ist in einen evakuierten, zylindrischen Behälter 1 mit vertikaler Achse eingeschlossen, der an seinen Enden über Platten verschlossen ist, von denen lediglich die obere Platte 2 dargestellt ist, und der über eine Öffnung 3 großen Durchmessers mit einer nicht dargestellten . Pumpeinrichtung verbunden ist, die es ermöglicht, ein Vakuum von 10 mm Hg zu realisieren. Der evakuierte Behälter 1 und seine Endplatten bestehen aus einer doppelten Wandung, 1 und 10, 2 und 20, zwischen deren Wänden Wasser umläuft, um eine kräftige Kühlung zu erhalten.

In der Achse des evakuierten Behälters 1 ist in einer konischen Lagerung 51 ein Monokristall 4 zentriert. Das Lager 51 bildet das obere Ende einer vertikalen Molybdänstange 5, deren Durchmesser so klein wie möglichiist, um Wärmeverluste zu verhindern, und deren unteres Ende mit einer nich'i;₄dargestellten, mechanischen Einrichtung in Vei'bindung steht, die in an sich bekannter Weise über Motoren angetrieben wird, um eine Rotations- und Translationsbewegung des Kristalls sioherzustellen-

Wie Fig. 2 zeigt, ist die doppelte Wandung des evakuierten Behälters ^Λ weiterhin von einem Seitenfenster 6 durchbrochen, welches mittels einer Quarzplatte verschlossen ist und auf das ein Vergrößerungsglas aufgesetzt sein kann, welches es ermöglicht, das Ende des Kriütails, seine Speisung und sein Wachsen zu beobachten«

In dem mittleren Teil des Eehälters 1 und koaxial zu ihm sind Heizwiderstände Y und 8 angeordnet, die voneinander über eine Abschirmung 9 getrennt sind und die auf jeweils einer Seite dieser Abschirmung die Fusionskamnier für die Oberflächenfusion und 'die Abkühlkammer für die gesteuerte Abkühlung begrenzen. Als Heizwiderstand 7 ist ein dünnes Band aus Wolfram oder Tantal in Form eines sehr füechen Kegelstumpfes mit vertikaler Achse vorgesehen, der in im wesentlichen radialer Richtung durch zwei vertikale, parallel zur Achse des Seitenfensters 6 verlaufende Ebenen geschnitten ist und der über·

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diese Schnittflächen mit Hilfe von Verbindungen'71 und 72 gespeist ist, zwischen denen der für die Beobachtung des Endes des Kristalls 4 über das mit dem Seitenfenster 6 verbundene Vergrößerungsglas notwendige Zwischenraum gelassen ist« Die Verbindungen 71 und 72 sind mit Hohlleitern 73.und 74 verbunden, die durch inneren Viasserumlauf gekühlt und mit der unteren Platte des Behälters 1 verbunden sind. Als Heizwiderstand 8 ist ein zylindrisches Tantalband vorgesehen, das zackenartig über Sägezahnschnitte 80 aufgeschnitten ist, die entlang seinen Erzeugenden hergestellt sind, und das koaxial zu dem Heizwiderstand 7 unterhalb der Abschirmung 9 angeordnet ist* Er ist über Radialverbindungen 81, 82 und vertikale Hohlleiter 83_} 84' mit innerem Kühlwasserunilauf gespeist, die an der unteren Platte des Behälters 1 befestigt sind ο

TTm einen Wärmeverlust durch Strahlung zu vermeiden, umgeben zylindrische Schirme 11 die Fusions- und Abkühlkammern» Diese Schirme sind konzentrisch zu den äußeren Schirmen angeordnet und können z.B. aus dem Metall "Inconel", d.h„ einer Nickellegierung aus 80 io Nickel, 14 $ Chrom und 6 i» Eisen bestehen, während die mittleren Abschirmungen aus Molybdän und die den Kamaern am meisten benachbarten Abschirmungen aus Tantal bestehen. "Xn diesen Abschirmungen sind die zur Preigabe des Beobachtungsfeldes des Seitenfensters 6 und den Durchlaß der Verbindungen für die Heizwiderstände 7 und 8 notwendigen Krümmungen vorgesehen. Jeder Schirm 11 ist durch horizontal an seinem Ende angeordnete Schirme veivollständigt_o Die Schirme 12, die am oberen Ende der Schirme 11 angeordnet sind, sind an der oberen Platte 2 über Distanzstücke 13 befestigt. Sie sind in ihrer Mitte mit einem kreisförmigen Loch versehen, durch das die Einrichtung zur Speisung des Kristalls 4 durchtreten kann.

Die Steuerung der Temperaturen in der Fusionskamrier und in der Abkühlkammer wird mittels Thermopaaren aus Wolfram und Wolfram-RJ-c—nium hergestellt, die in der Nähe der Heizelemente angeordnet sind.

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Pig, 3 zeigt im Schnitt den Verteiler 30 für die Kügelchen. Der Verteiler'30 enthälteeineri Körper 31 aus poliertem, nicht oxydierendem Stahl, dessen oberer Teil zylindrisch ausgebildet ist und dessen Basis 32 eine Platte bildet, die an ihren Rändern in ein Lager eingreift, welches zu diesem Zweck mit einem Sockel 33 versehen ist, der auf der oberen Platte 2 des Behälters 1 befestigt ist. Die Platte 32 ist andererseits über die Basis einer metallischen Glocke 34 gehalten, die auf dem Sockel 33 dank eines Torus 35 vollständig dicht befestigt ist«

Der Körper 31 ist in seinem mittleren Teil vollständig von einer zylindrischen Lagerung durchdrungen, deren Wandungen chromiert und poliert sein können und in der ein zylindrischer Rotor 36 gelagert ist, der in gleicher Yfeise chrcmieri; und poliert sein kann und dessen Durchmesser angemlher-i; 1 mm kleiner ist als der Durchmesser der Lagerung, Tür Rotor 36 ist mit der Welle eines nicht dargestellten Elektromotors verbunden, der seine Zentrierung in der Lagerung sicherstellt ο

In regelmäßigem Abstand sind in die ümfangszone, die durch einen rechtv/inkligen Meridianschnitt des Rotors 36 bestimmt ist, zylindrische Taschen 361 eingeschnitten, die eine Öffnung und eine Tiefe besitzen, die etwas größer ist als der Durchmesser der Kristallkügelchen.

In den oberen Teil der Lagerung des Rotors 36 mündet ein Trichter 37, der in die Masse des Körpers 31 des Verteilers eingeschnitten ist und der die Rubinkügelchen 38 enthält. Sobald sich eine Tasche 361 des Rotors 36 vor der Öffnung des Trichters! 37 befindet, wird ein Kügelchen 38 dort eingebracht. Dieses Kügelchen wird dann mit dem Rotor 36 gedreht, bis die Tasche 361 an einem Kanal 39, der am Fuß des Körpers 31 angeordnet ist und der die Verbindung der Lagerung des Rotors 36 mit dem Behälter 1 des Ofens darstellt, angekommen ist. Die Achse des Kanals 39, die mit der Achse des Körpers 31 zusammenfällt ist in der Verlängerung der Achse der Vorwärmeinrichtung 40 angeordnet,

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Die Vorwärmeinrichtung 40 nach Figo 4 "besteht aus einem zylindrischen Körper aus Tantal, der die zu diesem Zweck in die horizontalen Abschirmungen 12 eingelassenen Öffnungen durchdringt und an seinem oberen Teil einen Kragen 41 trägt, der an der obersten Abschirmung 12 befestigt ist. Das untere Ende der Vorwärmeinrichtung 40 ragt in die Fusionskamrner hinein bis auf einen sehr geringen Abstand von der Lage, die das oberste Ende des Kristalls 4 einnehmen inuße Zylindrische Kanäle, wie die Kanäle 42 und 43, die in regelmäßigem Abstand voneinander und gegenüber der Horizontalen wechselweise um 30^ in dem einen und in dem spiegelbildlich entgegengesetzten Sinn geneigt sind und von denen jeweils der eine in den anderen mündet, sind in den Zylinder 40 eingeschnitten Eine trichterförmige Axialüffnung gibt Zugang

t ·

zu dem ersten Kanal 42 und der letzte, schräge Kanal mündet" in einem axialen Ausgangskanal 45.

Wenn ein Kügelchen den Verteiler durch den Kanal 39 verläßt« fällt es direkt in die trichterförmige Axialöffnung 44 der Vorwärmeinrichtung 40, folgt einer unterbrochenen Linie, die von Teilen der jeweiligen Geraden gebildet t-st, die untereinander Winkel von 60° bilden und die sich in mehr und mehr erhitzten Zonen befinden, bis es schliei31ich durch den Kanal 45 auf das geschmolzene Ende des Krista.t.ls 4 fällt.. wo das Kügelchen schließlich eine genügend große Temperatur besitzt^" um nicht eine Abkühlung des Oberf jächenbelags unterhalb seines Schmelzpunktes hervorzurufen«

Sie verschiedenen Phasen der Herstellung eines synthetischen Honokriatalls mit der bisher beschriebenen Vorrichtung nach der Erfindung werden nachfolgend beschrieben.

1 c Erstes Entgasen des Behälters '. ,

Nachdem der Verteiler für die Kristallkügelchen gefüllt · ist, wird ein Vakuum von 5. 0" mm Hg in dem Behälter hergestellt. Äur gleichen Zeit werden die beiden Heizelemente 7 und 8 für zwei Stunden auf eine Temperatur von 2000° G gebracht. Danach wird der Ofen unter Beibehaltung des Vakuums langsam abgekühlt,

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Einführung des Kristallkeims 4.

Nachdem der Kristall 4 in die Lagerung 51 auf der Molybdänstange 5 angebracht ist, wird dieser dadurch ganz genau zentriert, daß die Molybdänstange 5 um sich selbst gedreht wird. Die Stange 5 folgt dann einer vertikalen . Translationsbewegung, damit das obere Ende des Kristalls' 4 bis auf 1mm über die Ebenen der Abschirmung 9 hinausragt, die die Fusionskammer von der Abkühlkammer trennt.

Zweites Entgasen des Behälters 1 °

Für dieses neue Entgasen wird ein Vakuum von 10 ram Hg in dem Behälter 1 erzeugt. Die beiden Heizelemente 7 und 8 sind auf eine Temperatur von iOOO⁰ C gebracht. Sobald das gewünschte Vakuum erzeugt ist, wird der elektrische Strom, der in den Heizelementen 7 und 8 umläuft, unterbrochen, wodurch eine Abkühlung des Ofens eintritt.

Einführung von Argon«

Das aus einer Flasche austretende Argon wird nur in den Behälter 1 eingeführt, nachdem es einem Reinigungsvorgang unterworfen wurde, welches Feuchtigkeitsspuren beseitigt. Das den Behälter 1 ausfüllende inerte Gas muß weniger als fünf Teile pro Millionen Teile Wasserstoff und Wasser enthalten. Diese Bedingung ist unabdingbar, da nicht nur die Verunreinigung des Kristalls vermieden werden muß, sondern auch eine Beschädigung aller der Ofenteile, die auf hohen Temperaturen gehalten sind. Das Argon wird in den Behälter 1 eingeführt, bis ein Druck von 850 mm Hg erreicht ist. Man läßt dann einen Spülvorgang ablaufen, bei dem etwa 2 Liter pro Minute eingeführt werden.

Herstellung des Kristalls 4.

Der Motor für die Umdrehung des Kristalls wird eingeschaltet. Die beiden Heizelemente 7 und 8 werden nacheinander auf hohe Temperatur gebracht, bis das Innere der Abkühlkamraer etwa- auf 195O^c C- ist= Die Temperatur der Fusionskammer wird dann progressiv erhöht, bis bei, etwa 2050° C am äußersten Ende des Kristalls 4 eine

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Schmelzung der Oberfläche eintritt„ Dieser Vorgang wird durch das Vergrößerungsglas beobachtet-

Einige Grad vor diesem Schmelzen v/ird der Teil des Kristalls 4, der sich in der Fusionskamner befindet, sehr glänzend und seine nach außen vorspringenden Kanten werden eingedrückt. In dem Ausmaß des Fortschreitens des Schmelzen wird der Kristall 4 von Hand bewegt, bis sich sein oberes Ende etwa 2 mm oberhalb des Schirmes 9 befindete - ■ ■

Nach und nach, nimmt der untere Teil des Kristalls 4 das Aussehen einer Kugelkalotte an. Wenn diese sauber abgegrenzt ist, ohne daß ein Fließen festgestellt wird, wird der Motor für die Translationsbewegung der Stange 5 eingeschaltet» Zur gleichen Zeit wird der Verteiler für die· Kügelchen eingeschaltet und die Temperatur in der Pusionskammer auf rund 2100° C erhöht, um die beim Schmelzen auftretende Abkühlung des Kristalls, die durch die Zufuhr der Kügelchen hervorgerufen ist, zu kompensieren» Eine solche Abkühlung könnte, wie schon ausgeführt wurde, eine teilweise Verfestigung des Endes des Kristalls 4 hervorrufen, aus denen Dislokationen der kristallinen Struktur resultieren könnten»

Die Kügelchen müssen nacheinander auf die Mitte des Kristalls auftreffen und die Translationsgeschwindigkeit der Stange 5 wird in Abhängigkeit von dem Verteilungsbereich der Kügelchen geregelte

Wenn der Kristall 4 hergestellt ist, vermindert man langsam und progressiv den in den Heizelementen 7 und 8 umlaufenden Strom bis zur Abkühlung· des Kristalls auf die Umgebungstemperatur.

Figo 5 zeigt eine andere Einrichtung zum Vorwäiiaen der Kügelchen, wie sie bei dem Ofen nach der Erfindung verwendbar ist» Die Einrichtung enthält einen Zylinder 50, der wie der Zylinder 40 d'er.Fig» 4 zu diesem Zweck in die horizontalen Ab-

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schirmungen 12 dea Widerstandsheizofens eingebrachte Öffnungen ,durchdringt= '

Der Zylinder 50 besteht aus Molybdän und ruht mittels eines Kragens 52 auf der obersten Abschirmung 12, Unter dem Kragen 52 ist der Umfang des Zylinders 50 nach Art einer schraubenliniejrifb'rmigen. Nut 51 mit quadratischem Querschnitt ausgebildet, deren Seitenlänge etwas größer ist als der Durchmesser eines Kügelchens. Eine Tantalverkleidung 53, die über einen Stift 56 auf dem Zylinder 50 befestigt ist, umgibt den Zylinder 50 auf seiner gesamten Länge, soweit sie die Nut 51 trägt. Eine axial angeordnete, bauchige Öffnung 54, die in die Masse des Zylinders 50 eingeschnitten iot, gibt Zugang zu der schraubenJ-iniqnförmigen Nut 51 , die am unteren Ende des Zylinders 50 in einem axial angeordneten Ausgangskanal 55 endet» Die Dimensionen des Zylinders 50 und die Ganghöhe der Schraubenlinie sind in Abhängigkeit von den abgestuften Temperaturen zwischen seinen beiden Enden sobberechnet, daß die Kügelchen, die Fusionskammer bei optimaler Temperatur erreichen.

Die zentrale Öffnung der Abschirmung 9, in der der Kristall 4 im Terlauf seines Wachsens erscheint, ist durch einen Hing 60 aus Rhenium,■ der mit einem auf dem Rand aufliegenden Kragen 61 versehen ist, kalibriert-. Wenn die vertikale Translationsgeschwindigkeit des Kristalls 4 genau geregelt ist, ruht das Niveau des in Schmelzung befindlichen Honokristails mit seinem Ende im inneren des Rings 60 und der Kristall bildet sich mit dessen Abmessungen, indem er dort mit geringeii' Reibung verschoben und gedreht wird.

Die Figur 6 zeigt eine Einheit, die den Verteiler für die Kügelchen und die Vorwärmeinrichtung ersetzt, wenn die Speisung des Kristalls mit Hilfe"eines zylindrischen Stabes 92 aus Honokristall oder einem durch Fritten agglomerierten Gemisch aus Tonerde und Chromoxyd gebildet ist»

Der Stab 92 ist von einer Stange 94 aus Molybdän gehalten, deren unteres Ende ein zylindrisches Lager 91 trägt, in dem

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sie von einer Schraube 93 aus Molybdän aufgehammen und gehalten ist.

Der dem Ofen gegenüber äußere Teil der Stange 94 steht in Verbindung mit einer mechanischen Einrichtung, die einen Motor besitzt, der die für eine gute Ausbildung des Kristalls notwendige vertikale Translationsbewegung und Rotationsbewegung sicherstellt;= Sein innerer Teil, der den Stab 92 trägt, dringt durch eine wasserdichte richtung 90 in den Ofen, wo er sich in ein Rohr 96 erstreckt, welches ebenfalls aus Molybdän bestellt, und ißt in seinem oberen Teil von einem Krsgen 95 ge- · halten, der in eine Basis 32 gesteckt ist, die fest mit der oberen Platte 2 des Ofens durch den Sockel 33 und die metallische Glocke 34 verbunden ist.

Pas untere Ende des Rohres 96 besitzt in Inneren einen lurchtritt 97 mit verringertem Querschnitt, der eine genaue Führung des Stabes 92 in der Achse des Kristalls 4 sicherstellt. Sie dringt in die Schmelakammer für die Oberflüchenfusion des Ofens ein, indem sie die in den horizontalen Abschirmungen 12 vorgesehenen öffnungen und die zentrale öffnung des Heizwiderstandea durchdringt_t

Per Kristall 4 ist .in eine Rotationsbewegung um sich selbst versetzt, s.B. in der Größenordnung von iO Umdrehungen pro Minute, und eine absteigende, vertikale Translationsbewegung, die der longitudinalen. Yiachsgeschwindigkeit entspricht, z.B. in der Größenordnung von 12 mm/h für ein Kaliber von 6 mm

In gleicher Weise ist der Stab 92, dessen Kaliber in der Größenordnung von 3 mm liegen kann, einer Drehbewegung um sich selbst ausgesetzt, um üngenauigkeiten in der Symmetrie bei der Umdrehung und der Temperatur im Inneren der Fusionskamiuer zu unterdrücken*,wobei diese Rotation im selben Sinn ausgeführt sein kann, wie die des Kristalls 4, vorzugswiese mit einer unterschiedlichen Drehzahl, oder aber im entgegengesetzten Sinn,, z.B^ mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 2,5 ü/min, ebenso wie eine Translationsbewegung in absteigen- ' der vertikaler Richtung, deren Geschwindigkeit mit der Ab-

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Stiegsgeschwindigkeit des Kristalls 4 durch eine konstante Beziehung verbunden ist, die von den jeweiligen Abmessungen und der Natur des Stabes abhängt.

Die Beobachtung der Brucheinschnürung der Masse des im Schmelzens begriffenen Kristalls in Form eines Diabolo, die im kapillaren Gleichgewicht zwischen den Enden des Stabes 92 und des Kristalls 4 ist, gestattet es, die relativen Geschwindigkeiten der Motoren für die Steuerung der Drehung und der Translation des Kristalls 4 und des Stabes 92 einzustellen»

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Verfahren zur Herstellung von synthetischen Monokristallen, die insbesondere für den Aufbau von Lasern verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß in einer mit einem inerten Gas, z.B. Argon, gefüllten und ohne Verwendung einer offenen Flamme auf eine vorwählbare Temperatur gebrachte Fusionkammer zur Durchführung einer Oberflächenschnielzung ein Kristallkeim eingebracht wird, auf dessen Oberfläche nach ihrem Schmelzen ein das Wachsen des Kristalls hervorrufendes, vorerhitztes Material gegeben wird, wobei der entstehende Kristall im Takt der Materialzufuhr in"eine Abküh!kammer gezogen wird„

   Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zugeführtes Material Kristalle verwendet werden»

   Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zugeführtes Material ein durch Fritten hergestelltes Agglomerat aus Tonerde und Ohromoxyd verwendet wird,

   4ο Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material in Form von Kügelchen nacheinander in steuerbaren Intervallen zugeführt wird, die einen Durchmesser in der Größenordnung von Millimetern haben«.

   5= Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material in Form eines kontinuierlich nachgeführten, zylindrischen Stabes zugeführt wird, der vertikal über den Kristallkeim geführt wird und mit seinem inneren Ende in eine solche Entfernung von dem Kristallkeim gebracht wird, daß eine Oberflächenfusion eintritt,

   6- Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die .Zufuhr der Kügelchen oder der Vorschub'des Stabes proportional der Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalls iato

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   7» Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der proportional der Viachsturasgeschv/indigkeit in die Abkühlkamaer gezogene Kristall um eine vertikale Achse rotiert,

   8ο Verfahren nach dem auf Anspruch 5 und 6 rückbezogenen Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab um seine Achse rotiert,

   9= Vorrichtung zur !Durchführung des Verfahrens nach einem d-er vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenfusion in einem über elektrische Widerstände (7,8) beheizten Ofen durchgeführt ist, der durch eine mit einer Öffnung versehene Trennwand '_K 9) in die eine einstellbare Temperatur aufweisende Fusionsksmmer, in die bis zu einem einstellbaren Niveau der mit neuem Material zu fusionierende Teilades Kristalls 4 hineinragt, und die darunter angeordnete, eine niedrigere. Temperatur als die Pusionskamnier aufweisende Abküh!kammer geteilt ist, in die durch die Öffnung der fusionierte Teil des Kristalls und ein bewegbarer Träger gezogen sind»

   1Oo Vorrichtung nach Anspruch 9, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine oberhalb der Fu.sionskammer angeordnete Einrichtung zur Zuführung der Kügelchen in einstellbarer Folge und eine zwischen Zufuhreinrichtung und Pusionskamnier angeordnete Vorwärmeinrichtung, der unter der Wirkung der Schwerkraft die die Zufuhreinrichtung verlassenden Kügelchen zugeführt sind, die ihren Fall verzögert und sie auf eine Temperatur vorwärmt, daß sie nach Verlassen ohne Hervorrufen einer örtlichen Verfestigung von der geschmolzenen Kristallspttze umhüllbar sind„ i

   ο Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Zufuhr der Kügelchen aus horizontal gelagerten Hotor (36) mit an der Peripherie angeordneten Taschen (361) besteht, die aus einem über dem Rotor angeordneten Trichter (31) je ein Kügelchen aufnehmen und

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   nach einer nit einstellbarer Drehzahl durchgeführten halben Umdrehung des Rotors über einen Kanal (39) an die Vorwänneeinricktung abgeben.

   12, Voirichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmeeinrichtung (40) aus einem zylindrischen Körper aus Tantal gebildet ist, in den un 30° und ur.i 150° gegenüber der Horizontalen geneigte, wechselweise ineinander übergehende Kanäle (42, 43) vorgesehen sind, und deren Auegang (45) unmittelbar über der obersten Spitze des Rubinkristalls in der Pusionskar.nor mündet.,

   Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzoichnot, daß die Vorwärmeeinrichtung aus einen von einen Hohlzylihder (53) umgebenden Molybdänzylinder (50) gebildet ist, an dessen Peripherie eine schraubenlinionförnige Nut (51) vorgesehen ist, die*den Eingang (54) nit den unmittelbar über der obersten Spitze des Rubinkristalls in der Fusionskamiiiernsündenden Ausgang (55) verbindet.

   14: Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß,die Kristallspitze von einen Metallring (60' umgeben ist:

   Vorrichtung nach Anspruch 9 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (92) in einem Rohr (96) axial beweglich gelagert ist, unmittelbar über der obersten Spitze des Kristalls endenden und über eine ein Endlager bildenden Strang axial verschiebllch ist

   16. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Widerstände (7,8) aus Wolfram und/ oder Tantal bestehen_e

   17= Vorrichtung nach Anspruch 16« dadurch gekennzeichnet. daß die elektrischen Widerstände (7.8) aua dünnen Blechen bestehen, die zu Zylindern, Kegeln oder Spiralen gefcrnt sind, deren Mittelachse nit der Vertikaiachae des Ofens cusaüHiienf iillt o'

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