DE1719499A1

DE1719499A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Kristallen durch Ziehen

Info

Publication number: DE1719499A1
Application number: DE19681719499
Authority: DE
Inventors: Pietre Margotin
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1967-03-14
Filing date: 1968-03-14
Publication date: 1971-10-28
Also published as: FR1522416A; NL6803592A; GB1214679A

Description

DIPL.-ING. H. LEINWEBER dipl-ing. H. ZIMMERMANN

Poiticheck-Konto: Bank-Konto: Telefon Tel.-Adr.

München 22045 Dresdner Bank ag. MUndten (NII) 2i1»l» Ulnpat MUnchen

München 2, Marienplatz, Kto.-Nr. 92790

■ Lw/Erb/Sd

8 MUnchen 2, Rosental 7,2. Aufg.

194 99 (Kustermann-Pa»iag0)

den 14. M&rz 1968

^H SSNrIL¹J₁E D¹ZLEGTiIOITE, Paris, Frankreich

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Kristallen durch Ziehen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf einen Ofen zum Herstellen von Kristallen durch Ziehen aus einem in einem Tiegel befindlichen Schmelzbad mit Hilfe einer Manövri er stange, die am uiteren Ende den Kristallkeim trägt, wobei Tiegel und Manövrierstange genau koordinierte Drehbewegungen und geradlinige Bewegungen erteilt werden.

Kristalle werden häufig, insbesondere in der Halbleiterindustrie, durch sog. Ziehen hergestellt. Hierbei wird ein Keim von derselben Art wie der herzustellende Kristall am Bade einer Manövrierstange in die flüssige Masse getaucht, aus welcher der Kristall entsteht. Dann wird die Stange allmählich in einer geradlinigen Bewegung und einer damit kombinierten Drehbewegung aus dem Bad gezogen. Der flüssige Körper kristallisiert am Keim wobei ein im allgemeinen länglicher Monokri stall entsteht·

Dieser Vorgang dauert häufig ziemlich lange, beispiels-109844/1676

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weise mehrere Tage; wäiiend dieser Zeit ist es erforderlich, die Temperatur des Bades absolut konstant zu halten, üierzu können verschiedene Heizmethoden benutzt werden: .'/i der st and sheizen, Hochfrequenzheizen, Elektronenbeschuß u. dgl. Kontroll- und Selbstregelungseinrichtungen sind diesen verschiedenen Vorrichtungen im allgemeinen beigegeben.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft insbesondere die Phase des Verfahrens, die unmittelbar auf den Zeitpunkt folgt, an dem der Keim bei seiner Aufwärtsbewegung die Höhe des Spiegels des Schmelzbades erreicht, d.h. den Zeitpunkt, an dem der Kristall zu wachsen beginnt und die Stange eine gewisse Menge Schmelzmasse, aus welcher der Kristall gespeist wird, mit sich nimmt.

Schon bisher hat man sich insbesondere mit dem Problem, die Temperatur des Bades konstant zu halten, was eine sehr hohe Genauigkeit erfordert, beschäftigt. Die unmittelbar über dem Tiegel befindliche Zone des Ofens, in welcher der Kristall endgültig gebildet werden soll,: unterliegt einem ziemlich starken ifärmegefälle, was einer einwandfreien Kristallbildung abträglich ist und in jedem Fall ein brauchbares mechanisches Verhalten des Kristalls in dem innere Spannungen entstehen können, beeinträchtigt. Auch die optischen Eigenschaften können sich dadurch ändern.

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Das Vorhandensein dieses Gefälles ist insbesondere darauf zurückzuführen, daß die Heizvorrichtungen im allgemeinen auf die unmittelbare Nähe des Tiegels, der die flüssige iuasse enthält, konzentriert sind.

Ziel der Erfindung ist es, diesen flacht eil durch Verringerung dieses iVärmegefälles auf seinen kleinstmöglichen 3ert zu beseitigen. Hierbei sind Einrichtungen vorgesehen, welche auf dem gesamten, von dem entstehenden kristall durchlaufenen V/eg im Rahmen des "löglichen die HegelmäSigkeit des ■7/ärmegefalles gewährleisten.

Zu diesem Zweck sind neben den gebräuchlichen Heizeinrichtungen, die im allgemeinen feststehend unter und um den Tiegel herum angeordnet sind, obera^lb des Tiegels zusätzliche Heizeinrichtung!! vorgesehen, die teils auf dem Umfang der laanovrierstände, teils ~uer au dieser so angeordnet sind, da3 sie einen Deckel bilden, der eine vollständige Isolierung des Arbeitsraum? in der Anfangsphase 3ps Prozesses bewirkt.

Im Verlauf des Verfahrens werden-der üanövrierstanje und auf einer anderen Seite der Tiegeltragplatte verschiedene Bewegungen mitgeteilt.

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BAD O

Hierbei wird der Tiegeltragplatte, um eine gleichmäßige Temperatur des Bades zu erreichen, beispielsweise mittels einer anderen Steuerstange eine langsame und gleichmäßige Drehbewegung um ihre Achse verliehen; andererseits wird der Tiegeltragplatte eine sehr langsame Aufwärtsbewqging mitgeteilt, damit ^qT Spiegel des Bades durch Ausgleich seiner durch Verringerung der Menge der flüssigen Masse ^wirkten Senkung auf geiner Ausgangshöhe gehalten wird.

Die Bewegungen, die der den Kristall tragenden Manövrierstange mitgeteilt werden, bestehen ebenfalls aus einer langsamen und gleichmäßigen Drehbewegung, die vorzugsweise nicht mit der der Tiegeltragplatte synchronisiert ist, und einer _sehr langsamen und gleichmäßigen geradlinigen Aufwärtsbewegung·

Erfindungsgemäß wird ferner auch den zusätzlichen Heizeinrichtungen eine langsame und gleichmäßige geradlinige Aufwärtsbewegung verliehen, was zur Beibehaltung eines günstigen Wertes des Temperaturgefälles und ru dessen Hegelung beiträgt. Diese Bewegung ist erforderlichenfalls in einer ersten Phase mit fle^r der Steuerstange der Tiegeltragplatte synchronisiert; nötigenfalls kann die Geschwindigkeit dieser geradlinigen Bewegung von dem Zeitpunkt an, an dem der Keim die Höhe, auf der der Spiegel des Schmelzbgde⁸ gehalten werden soll, erreicht, geändert

werden. 109844/1676

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Wenn der ursprüngliche Keim beim Anwachsen des Kristalls im wesentlichen im Mittelpunkt der erfindungsgemäSen zusätzlichen Heizeinrichtungen angelangt ist, empfidlt es sich, die Aufwärtsbewegungen der Manövrierstange und der

zu Heizeinrichtungen genau miteinander synchronisieren.

Ferner sind Schirme zur Wärmeregulierung vorgesehen, von denen einer den Schmelztiegel umgibt und ein anderer im Inneren der zusätzlichen Heizkanuner koaxial zur Manövrier- , ^ stange angeordnet ist; der letztgenannte Schirm hat die Aufgabe, die Temperatur des Mediums in der unmittelbaren Umgebung des entstehenden Kristalls auszugleichen.

Den verschiedenen, oben beschriebenen Vorrichtungen sind Einrichtungen zur Kontrolle, Regulierung und ggf_β zur Programmierung der Temperatur sowohl des Schmelzbades als auch der Umgebung beigegeben.

So kann der oben beschriebene Ofen beispielsweise mit J einem Pyrometer ausgestattet sein, das in einer zu diesem Zweck in der Ufenwandung vorgesehenen öffnung montiert ist. In diesem Fall muß ein geeigneter Wärmeschutz vorgesehen sein.

Dieser Pyrometer ist ständig auf den Spiegel ^_n Schmelzbades im Tiegel eingestellt und muß zusammen mit anderen, ebenfalls bekannten Einrichtungen ein absolutes konstant bleiben der Temperatur an der Oberfläche des Bades ermöglichen.

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Ferner kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Hilfsheizvorrichtung in Fora eines Elektronenstromgenerators vorgesehen sein.

Außerdem sind in Nähe der kritischen Punkte der Vorrichtung, insbesondere in JHähe des Tiegels und ggf. in dem zusätzlichen Heizraum, präzis angeordnete Thermoelemente vorgesehen.

V/eitere Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausfiihrungs bei spiels der Erfindung, das auf der beiliegenden Figur dargestellt ist.

Auf dieser Figur ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen Ofen dargestellt, in dem Kristalle gewisser Körper mit sehr hohem Schmelzpunkt, wie Hubin, Aluminium- Yttrium-Granat oder Niobate, durch Ziehen hergestellt werden können. Diese Kristalle sind insbesondere für Laser und andere optische Instrumente mit kohärentem, linearem oder nicht linearem Licht bestimmt.

Als Rohmaterial wird im Fall von Hubin mit Chrom gedopptes Aluminiumoxyd mit einem Schmelzpunkt von 2050⁰C verwendet.

Bas Kühlsystem der Außenwand 1 des Ofens ist auf der Figur nicht dargestellt. Auf der Tiegeltragplatte 2 ist ein Halter 3 für den Tiegel 4 befestigt. Der Tiegel 4 enthält die flüssige Masse 5, deren Spiegel konstant gehalten wird;

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die Schmelze hat ein Volumen τοη ungefähr 200 bis 300 cm Die Steuerstange 7 der Tiegeltragplatte 2 wird τοη außen bestätigt.

Die Heizeinrichtungen 8, beispielsweise Heizwiderstände, sind unter der Tiegeltragplatte 2 und um diese herum angeordnet. Für die oben angegebene %nge wird eine leistung τοη bis zu 20 bis 25 kH benötigt, damit eine einwandfreie Stabilität der Temperatur des Bades gewährleistet ist und das Ziehen τοη Monokristallen mit ziemlich großen Abmessungen unter günstigen Bedingungen Torgenommen _werden kann. Im Falle τοη Iridiumtiegeln ist eine Heizung durch Stromwärme der Hochfrequenzheizung vorzuziehen, da diese das mechanische Verhalten des Tiegels beeinträchtigen kann.

Ein oder mehrere Kontroll- oder Regulierthermo_elemente, (nicht dargestellt), Torzugsweise aus Wolfram-Rhenium, sind

in dem Raum 9 zwischen dem Schirm 10 und den seitlichen Heizwiderständen ö angeordnet. Ein geeignetes Regelsystem ermöglicht es, die gewünschte Temperatur auf + 0,5 C genau konstant zu halten.

Der Keim 12 ist am unteren Ende der ManöTrierstange angebracht. Die Drehbewegung und die geradlinige Bewegung werden dieser M-mÖTrierstange τοη außen mitgeteilt.

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Die erfindungsgemäßen zusätzlichen Heizeinrichtungen bestehen aus den seitlichen Heizeinrichtungen 13 und den in Querrichtung angeordneten Heizeinrichtungen 14. Für diese beiden üeizeinrichtungen zusammen ist eine leistung von ungefähr 3 kW erforderlich.

Im Inneren der seitlich und oben von den zusätzlichen Heizeinrichtungen abgegrenzten "beweglichen Kammer 16 ist ein rohrförmiger Schirm 15 vorgesehen, der konzentrisch zur Manövrierstange 11 angeordnet ist.

Der Elektronenstromgenerator 17_t der eine Hilfsheizyorrichtung darstellt, ist in der Vorrichtung in einer speziell hierzu vorgesehenen Öffnung 13 fest installiert. Für den von diesem Generator gelieferten Elektronenstrom ist ein direkter Durchgang (nicht dargestellt) vorgesenen, so daß er aas Schmelzbad erreichen kann.

In einer in der #and des ^ufens vorgesehenen Öffnung

20 ist ein Pyrometer 19 "befestigt. Ebenso wie bei dem Elektronenstromgenerator ist von dem Pyrometer aus die Zone, in der der Kristall ^bildet wird, sichtbar» Das Pyrometer 19 wird zusammen mit anderen nicht beschriebenen Vorrichtungen zur Regelung der Temperatur der Oberfläche des Schmelzbades benutzt, was zum einwandfreien Ablauf der Kristallbildung von größter Bedeutung ist. _BAD original

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Ferner kann in der Ofenwand ein entsprechend geschütztes Auge (nicht dargestellt) vorgesehen sein, dae bei jeder beliebigen Stellung der beweglicaen Teile der Vorrichtung die direkte Beobachtung der Schmelzzone gestattet.

Im Inneren der Kammer 26 sind ebenfalls Thermoelemente zur Kontrolle und ggf. zur Regelung der in dieser Kammer herrschenden Temperatur installiert, die zum Erhalten des Tenjoera turbofan es dienen.

Ganz allgemein bestehen sämtliche im Ofen vorgesehenen Gerätschaften einschließlich der beiden Ma_növrier_g+an^en -jedoch mit Ausnahme des Elektronenstromgenerators - aus Wolfram.

Im Inneren des Ofens wird zunächst ein starkes Vakuum von ungefähr 10"⁶Torr bei 2O⁰C, was 10"⁵Torr bei 2400⁰C entspricht, erzeugt. Die Kristallisierung geht unter vollständig g_ereinigter und insbesondere hinsichtlich ihres Sauerstoffgehaltes kontrollierter Argonatmosphäre vor sich.

Das Wärmegefälle darf nicht mehr als 200⁰G auf eine Höhe von ungefähr 100 mm, was dem %tzhub der Manövrierstange entspricht, betragen. Diese Strecke wird von der Manövrierstange in einer Zeit durchlaufen, die je nach dem herzustellenden Monokristall verschieden lang ist; bei einem Aluminium-Yttrium-Granat beträgt sie beispielsweise etwa 10 Tage. 109844/1676

Claims

Pa tentansprüohe j

/ !.Verfahren und Ofen zum Herstellen von Kristallen durch Ziehen aus einem in einem Tiegel befindlichen Schmelzbad mit Hilfe einer Manövrieretang, die am unteren Bade den Kristallkeim trägt, wobei Tiegel und Manövrierstange genau koordinierte Drehbewegungen und geradlinige Bewegungen erteilt werfen, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Heizeinrichtungen 13, vorgesehen sind, die zur Erreichung eines kleinstmöglichen Wärmegefälles in dem Raum, der von dem sicn bildenden Kristall durchlaufen wird um $ie Manövrierstange 11 und oberhalb des Spiegels des Schmelzbades 5, wo die Kristallbildung beginnt, angeordnet sind.
2.Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb und quer zu den erwähnten Heizeinrichtungen 13 weitere Heizeinrichtungen 14 vorgesehen sind, durch welche die Manövrierstange 11 hindurchgeführt ist·
3.Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Heizeinrichtungen 13,14 gleichzeitig mit und in derselben Richtung wie die Manövrierstange 11 geradlinig bewegt werden·

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4. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Syncronisieren der Bewegung der Manövrierstange (11) und der Heizeinrichtungen (13,14) eine Servosteuerung vorgesehen ist und dass die Synchronisation im Verlauf des Letzten Teils des Kristalisations« Vorgangs stattfindet.
5. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel (4) durch eine Tiegeltragplatte (2) getragen ist, die langsam drehbar auf einer Steuerstange (7) sitzt, die zusätzlich eine geradlinige langsame Aufwärtsbewegung erfährt, durch die die Tfegeltragplatte (2) jeweils um eine Strecke angehoben wird, die dem Absinken des Spiegels der Schmelze aufgrund der Materialverluste entspricht·
6. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche

1-bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass konzentrisch zur Manövrierstange (11) und zur Steuerstange (7) eine Wärmesteuerschirm (10) angeordnet ist, der den die Schmelze (5) enthaltenden Tiegel (1) umgreift.
7. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass konzentrisch zur gemeinsamen Achse der Manöyrierstange (11) und der Steuerstange (7) eine Kristall4fi ons JcTtS³An (15) angeordnet ist, der die Manövrierstange (11) umgreift und sich gemeinsam mit den Heizeinrichtungen (13 und 14) verschiebt.
8. Verfahren und V_orrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektronenstrahlerzeuger (17) im Deckel des Ofens angeordnet ist und dass für alle Stellungen der beweglichen Cfenteile der direkte Weg des Elektronenstrahls zur Schmelze (5) frei bleibt.
9. Yeriahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche

ι ν ο /cUHurcb g6Lken.n2eichc.ei4 -j _w -, j _Λ- j . 1 bis 8,/aass ein^Pyrometer ti9? in der Wand des Ofens und m Richtung auf die Oberfläche der Schmelze (5) angeordnet ist, die für alle Stellungen der beweglichen Teile des Ofens für

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das Pyrometer frei bleibt, und dass dem Pyrometer (19) zum Regeln der Oberflächentemperatur der Schmelze (5) eine entsprechende Servosteuerungs- und Temperaturregeleinrichtung zugeordnet ist*
10. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9ι dadurch gekennzeichnet, dass in der Aussenwand (1) der Vorrichtung ein Auge vorgesehen ist, dessen GesichiSfeld für alle Stellungen der beweglichen Teile des Ofens frei bleibt.
11. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Regeln der Temperatur innerhalb des τοη den zusätzlichen Heizeinrichtungen (13, 14) umfassten Raumes programmgesteuerte SerToeinrichtungen vorgesehen sind.

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