DE1769481B2

DE1769481B2 - Verfahren zum ziehen eines einkristallinen koerpers aus der schmelze eines kongruent und hochschmelzenden materials und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE1769481B2
Application number: DE19681769481
Authority: DE
Inventors: Harold E. Quincy Mass. LaBeIIe jun. (V.StA.)
Original assignee: Tyco Laboratories Inc
Current assignee: Tyco International Ltd
Priority date: 1967-05-29
Filing date: 1968-05-29
Publication date: 1973-05-17
Also published as: FR1581098A; BE715819A; CH530818A; US3471266A; DK127040B; DE1769481C3; GB1195947A; NO123924B; NL6807578A; ES354476A1; SE338558B; BR6899425D0; DE1769481A1

Description

60

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen eines einkristallinen Körpers aus der Schmelze eines kongruent und hochschmelzenden Materials, die in einer Kapillare angeordnet ist, welche mit einer Vorratsschmelze in Verbindung steht, bei dem ein Impfkristall durch die obere öffnung der Kapillare in die Schmelze eingeführt und mit einer die Kristallwachstumsgeschwindigkeit nicht überschreitenden Geschwindigkeit herausgezogen wird und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist bekannt, daß eine Anzahl von bekannten Substanzen eine ausgeprägte Verbesserung gewisser mechanischer Eigenschaften, insbesondere eine große Zunahme der Zugfestigkeit zeigt, wenn diese Substanzen in Form von kleinen Einkristallfaseni (auch Whisker genannt) hergestellt werden. Es ist weiter bekannt, daß Verbundbaustoffe mit hoher Festigkeit durch Einschluß dieser Fasern in ausgewählte Metalloder Kunststoffgefüge hergestellt werden können. Derartige Verbundwerkstoffe finden bei der Herstellung einer Vielzahl von Bauteilen, z. B. von Teilen für Fahrzeuge, Motoren, elektrischen Geräten usw. Verwendung. Beryllium, Bor und hochtemperaturbeständige Oxyde wie BeO, MgO, Cr₂O₃, ZrO₂ und (X-AL₂O₃ wären prinzipiell zur Verstärkung von Metallgefügen für die Herstellung von hochtemperaturbeständigen Bauteilen geeignet. Es ist jedoch schwierig, kurze Fasern dieser Stoffe mit kleinen Kristallen gleichförmig in einem Gefügematerial zu verteilen.

Ein älterer Vorschlag des Erfinders betrifft ein Verfahren, bei dem Aluminiumoxyd und andere hochschmelzende anorganische Substanzen als unbestimmt lange Fäden mit günstigen mechanischen Eigenschaften aus der Schmelze gezogen werden können. Obgleich diese Fäden nicht ganz die Zugfestigkeit von kleinen Whiskern haben, so haben sie doch den Vorteil, daß sie wegen ihrer größeren Durchmesser und wegen ihrer größeren Länge leichter verarbeitet werden können. Weiterhin bietet die Herstellung von ausgedehnten Fäden die Möglichkeit, die Herstellungskosten zu erniedrigen. Nach diesem älteren Verfahren wird eine Strahlungsblende oder eine Strahlungsabschirmung verwendet, die auf der Oberfläche der Schmelze schwimmt und die eine Öffnung aufweist, durch die ein Impfkristall in die Schmelze eingeführt und aus der Schmelze herausgezogen wird. Der Impfkristall wird nur so lange in die Schmelze gehalten, bis auf dem Kristall ein Kristallwachstum auftritt, und wird dann mit einer Geschwindigkeit, die die Geschwindigkeit des Kristallwachstums in einer axialen Richtung nicht überschreitet, herausgezogen, so daß die aufeinanderfolgenden Anwachsungen des gewachsenen Kristalls einen ausgedehnten Faden mit unbestimmter Länge ergeben.

Das ältere Verfahren arbeitet gut, hat jedoch gewisse Beschränkungen. Die Strahlungsabschirmung muß gleichmäßig auf der Oberfläche der Schmelze schwimmen. Gelegentlich kippt sie jedoch im Tiegel und richtet sich nicht mehr von selbst auf; in diesen Fall kann der Winkel zwischen der Achse der öffnung und der Achse, entlang der der Impfkristal herausgezogen wird, so groß sein, daß eine Unter brechung des Wachstumsprozesses auftritt. Ein< weitere Schwierigkeit besteht darin, daß die Strah lungsabschirmung im Tiegel absinkt, wenn dii Schmelze weniger wird. Ist die Höhe des Tiegels ver hältnismäßig groß, so daß ein nennenswerter Tempe raturgradient zwischen der Oberfläche und den Boden besteht, so hat die Temperatur die Tenden sich zu verändern, wenn die Strahlungsabschirmun nach unten absinkt. Deshalb kann eine periodisch Nachstellung der Heizleistung notwendig werden, ur in der unmittelbaren Nähe der öffnung die Tempe raturbedingungen aufrechtzuerhalten, die ein vert

tales Kristailwachstum begünstigen. Erne Alternative jesteht darin, den vertikalen Temperaturjradienten jadurch zu vermindern, daß man eaien verhältnismäßig flachen Tiegel verwendet Dieser Weg ist je-Joch ungünstig, da hierbei das Fassungsvermögea des Tiegels beschränkt ist

Aus der deutschen Auslegeschrift 1141 977 ist ein Verfahren zuiu Ziehen von dünnen, im wesentlichen einkristallinen Halbleiterstäben, insbesondere aus Germanium aus einer Schmelze bekannt, wobei die einkristaUinen Haloleiterstäbchen aus einer öffnung herausgezogen werden, die derart gewählt ist, daß der Schmelzspiegel des Halbleitermaterials in der öffnung mittels Kapillardepression unter dem Spiegel des Schmelzvorrats gehalten wird. Nachteilig hieran ist vor allem die Tatsache, daß die Temperatur in der Öffnung von der Temperatur der Vorratsschmelze abhängig ist und nicht unabhängig von dieser geregelt werden kann. Der Kristallisationsvorgang kann daher nur schwer gesteuert werden.

Aus der schweizerischen Patentschrift 399 744 ist ferner ein Verfahren zur Erzeugung eines Einkristalls, z. B. aus Germanium, bekannt, bei dem auf die Vorratsschmelze Druck ausgeübt wird, um sie in einen en»en Durchgang zu pressen, in dem ein Impfkristall eingeführt wird und die Einkristalle gezogen werden. Dieses Verfahren ist abhängig von der fehlerfreien Funktion der druckerzeugenden Vorrichtung. Bei einem Ausfall derselben wird der Ziehpro—" ^u" endet. Auch läßt sich dieses Verfahren nich

nicht ragt und ihr unteres Ende in die Votratesduneta:ja euter solchen Tiefe eintaucht, daß sichι durch Kapl·- laraszension eine Säule der Schmelze bildet, die aus der Vorratsschmelze bis zu der oberen Öffnung der Kapillaren emporragen. _

Im folgenden werden Ausführuagsbeispiele der Erfindung an Hand der Figuren beschrieben. In der

xo schematischer Form) einer .i-».«^.-*——_o-

Ofens zum Züchten von kristallinen Fäden gemäß

der Erfindung, F i g. 2 einen Längsschnitt durch die Einrichtung zur Bildung einer flüssigen Säule der Schmelze durch

i5 Kapillarwirkung, F i g. 2 A eine Draufsicht eines Teils der in F i g. 2

dargestellten Vorrichtung,

F i g. 3 einen Längsschnitt einer anderen Ausführungsform der Einrichtung, in der die flüssige Säule

ao gebildet wird, F i g. 4 eine Ansicht ähnlich der von F i g. 3 einer weiteren Ausführungsform der Einrichtung, in der die Flüssigkeitssäule gebildet wird,

F i g. 4 A eine Draufsicht der in F i g. 4 dargestell-

25 Fi g. 5 eine
doch von einer anderen
findung.

der von Fig. 2, £ y™ |_er'

sich auf

,_ J L Ulli VM _* - -. ^₁

liner Körper aus der Schmelze eines kongruent und hochschmelzenden Materials anzugeben, das es gestattet, die Temperaturen an der Flüssigkeits-FestsxolTsrenze genau zu kontrollieren, und zwar unabhängig von der Temperatur der Vorratsschmelze und bei dem störende Beeinträchtigungen, wie sie bei dem Verfahren nach dem älteren Vorschlag noch auftreten, vermieden werden.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art, dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß nur das untere Ende der Kapillare in die Vorratsschmelze eingetaucht und die Kapillare ausschließlich mit Hilfe der Kapillaraszension aus der Vorratsschmelze so mit Schmelze gefüllt wird, daß in der Kapillare eine Schmelzsäule gebildet

' ds hinauf zu 5c

staiuner Faden aus einer u«.**»» _o— „ .

einer durch ein Rohr oder durch einen Stab mit einem Längsschnitt gebildeten Kapillare angeordnet ist und die in einem eine Vorratsschmelze enthaltenden Tiegel angeordnet sind und über diesen hinausragen. Die Kapillarwirkung hat zur Folge, daß das Material der Schmelze im hohlen Rohr (oder im Schlitz des Stabes) aufsteigt und diese ausfüllt. Die Höhe, auf die die Säule des geschmolzenen Aluminiumoxyds ansteigt, ist eine Umkehrfunktion des Rohrdurchmessers. Da die Oberflächenenergie des geschmolzenen Aluminiumoxyds bekannt ist (690 erg/cm²), kann die Entfernung, auf die eine geschmolzene Aluminiumoxydsäule in einem bestimmten Rohr über die Oberfläche des großen Schmelzevorrates infolge

kann, näherungsweise ausgedrückt werden:

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglieh, Aluminiumoxyd in Fadenform zu erzeugen. So konnten Saphirfäden mit einer Länge von etwa worin h die

30 cm und einem Durchmesser von 0,05 bis 0,50 mm 55 flachensP—g bei Ziehgeschwindigkeiten bis zu 150 mm/Min, er- ^^ = 2T/drg,

p der Säule in cm, T die Ober

_{D c}hte

des ger Innen-

die Erfindung eine Vorrichtung ,ante ^stellt.

Vorrichtung gemäß der Vor g g ^

t zwei

die mit einer Vorratsschmelze in Verbindung steht durch

und mit einem Impfkristall, der durch die Öffnung _p °ie g

der Kapillaren in die Schmelze eingeführt und mit Erfindu ng enthalt

einer das Kristallwachstum nicht überschreitenden 65 zo ntales^^^5

Geschwindigkeit herausgezogen werden kann wobei konzen nsch jueinande^ angeo

erfindungsgemäß die Kapillare derart angeordnet ist, und 6 tngt M se.nern 1»ntere _{cht Das}

daß ihr oberes Ende aus der Vorratsschmelze heraus- Rohr 4 in einem L-Ring λ im d

Rohr 4 ist von einer Hülse 8 umgeben, die in eine Im Körper 40 ist auf einem kurzen Wolframstab 44 Manschette 10 eingeschraubt ist. Zwischen der ein Tiegel gehalten (gestrichelt bei 46 dargestellt), Hülse 8 und der Manschette 10 befindet sich ein der einen geeigneten Vorrat an Aluminiumoxyd ent-O-Ring 12 und ein Trennelement 13. Der O-Ring 12 hält. Der Tiegel besteht aus einem Material, das die wird gegen das Rohr 4 gepreßt, um einen dichten 5 Betriebstemperaturen aushält und nicht mit dem Abschluß zu bilden. Das obere Ende der Hülse 8 geschmolzenen Aluminiumoxyd reagiert oder sich hat einen Abstand zum Rohr 4, so daß das untere darin auflöst. Bei der erläuterten Ausführungsform Ende des Rohres 6 eingefügt werden kann. Das untere ist der Tiegel aus Molybdän hergestellt, er kann aber Ende des Rohres 6 wird durch einen O-Ring 14 und auch aus Iridium oder einem anderen Material mit ein Abstandselement 15 festgehalten, die zwischen io ähnlichen Eigenschaften gegenüber geschmolzenem eine Manschette 16 gepreßt sind, die auf die Hülse 8 Aluminiumoxyd bestehen. Der Molybdäntiegel muß aufgeschraubt ist. Die Hülse 8 ist mit einer Zulei- in einem gewissen Abstand zu dem Körper 40 stehen, tungsöffnung versehen, in die ein biegsamer Schlauch da bei etwa 2200° C eine eutektische Reaktion zwi-20 eingepaßt ist. Die oberen Enden der Rohre 4 sehen Kohlenstoff und Molybdän stattfindet. Innen und 6 sind in einem Kopf 22 befestigt, so daß sie 15 hat der Tiegel einen konstanten Durchmesser und stationär bleiben, wenn das Bett gesenkt wird. Der gegebenenfalls einen halbkugeligen Boden. Um die Kopf 22 besitzt eine Austrittsöffnung mit einem bieg- für das Verfahren notwendigen hohen Betriebstempesamen Schlauch 24. Der Kopf 22 enthält (nicht dar- raturen zu erreichen, wickelt man eine zylindrische gestellt) Einrichtungen ähnlich der Hülse 8, den Strahlungsabschirmung 50 aus Kohlenstofftuch um O-Ringen 12 und 14 und den Manschetten 10 und 20 den Körper 40 aus Kohlenstoff. Das Kohlenstofftuch 16, durch die die beiden Rohre konzentrisch gehalten scheint nicht direkt mit dem Radiofrequenzfeld ge- und gegeneinander abgedichtet werden können. Die koppelt zu sein; es setzt jedoch die Wärmeverluste Schläuche 20 und 24 sind mit einer Pumpe (nicht des Kohlenstoffkörpers 40 stark herab. Bei einer bedargestellt) verbunden, mit deren Hilfe Kühlwasser stimmten Einstellung der Radiofrequenzleistung kontinuierlich durch den Zwischenraum zwischen 35 bewirkt die Abschirmung 50 eine Temperaturden beiden Quarzrohren geleitet wird. Das Innere erhöhung des Körpers 40 von bis zu 500° C.
der Ofenumhüllung ist über ein Rohr 28 mit einer Nach F i g. 2 ist der im Körper 40 gehaltene Tiegel

Vakuumpumpe oder mit einer geregelten Quelle von 46 mit einer Hitzeabschirmung aus Molybdän in Inertgas wie Argon oder Helium verbunden. Die Form eines Deckels 52 versehen. Diese Hitzeabschir-Ofenumhüllung wird weiterhin durch eine Radio- 30 mung besitzt eine zentrale öffnung 54 und eine zweite, frequenz-Heizspule 30 umgeben, die mit einer regel- kleinere öffnung 56 an einer Seite der öffnung 54. baren Energiequelle von 500 kHz (nicht dargestellt) Ein Thermoelement 58 befindet sich im Tiegel unter gewöhnlicher Bauart verbunden ist. Die Heizspule der Oberfläche der darin enthaltenen Schmelze 59. kann an der Ofenumhüllung auf- und abbewegt wer- wobei die Zuleitungsdrähte des Thermoelements den, und es sind Einrichtungen (nicht dargestellt) 35 durch die öffnung 56 hindurchgehen und mit einem vorgesehen, um die Spule auf jeder gewählten Höhe empfindlichen Temperaturanzeigegerät (nicht dargezu halten. An dieser Stelle sei vermerkt, daß das stellt) üblicher Bauweise verbunden sind. Die Öffumlaufende Wasser nicht nur das Innere des Quarz- nung 54 ist, wie es in F i g. 2 dargestellt ist, konisch rohrs auf einer sicheren Temperatur hält, sondern verjüngt.

auch den größten Teil der Infrarotenergie absorbiert, 40 Im Tiegel befindet sich ein Element 61 mit einer wodurch die Beobachtung des Kristallwachstums Ringplatte 60, die einen abgesetzten Rand 62 aufbequemer ist. weist. Der Rand 62 hält die Ringplatte 60 in einem Der Kopf 22 ist so konstruiert, daß ein Ziehstab gewissen Abstand über dem Boden des Tiegels. Die 32 in die Ofenumhüllung eingeführt werden kann. Platte 60 bildet mit dem länglichen Rohr 64 eine Der Ziehstab 32 ist mit einem an sich bekannten 45 Einheit, wobei das Rohr in der dargestellten Aus-Kristallziehmechanismus 34 (schematisch dargestellt) führungsform über das obere Ende des Tiegels hinverbunden und bildet einen Teil dieses Mechanismus. ausragt. Das obere Ende des Rohres 64 ist verjüngt, Die Art des Kristallziehmechanismus ist erfmdungs- damit es in die öffnung 54 paßt und damit sein gemäß nicht kritisch, und seine Bauweise kann stark oberer Rand schmal ist Das Rohr 64 ist an beiden variiert werden. Vorzugsweise wird jedoch ein 50 Enden offen und hat einen praktisch konstanten hydraulisch gesteuerter Kristallziehmechanismus Durchmesser vom Boden bis unmittelbar zum obeverwendet, da ein solcher den Vorteil hat, daß er ren Ende, wobei der restliche Teil einen verminderfrei von Schwingungen ist und eine gleichmäßige ten Innendurchmesser hat, der eine Wachstums-Ziehgeschwindigkeit liefert Unabhängig von seiner öffnung 68 bildet Die Platte 60 ist mit einer Anzahl genauen Bauweise, die nicht näher erläutert zu wer- 55 von Öffnungen 70 versehen, die um das Rohr 64 anden braucht, soll der Ziehmechanismus 34 den Zieh- geordnet sind. Bei einer typischen Ausführungsform stab 32 axial mit einer geregelten Geschwindigkeit der Erfindung, bei der ein Tiegel 46 mit einem Innenbewegen. Der Ziehstab 32 ist koaxial zu den Quarz- durchmesser von etwa 15,9 mm verwendet wird, hat rohren 4 und 6 angeordnet und besitzt an seinem das Rohr 64 einen Innendurchmesser von etwa unteren Ende eine Verlängerung in Form eines 60 1,59 mm, ausgenommen das obere Ende, das eine Metallstabes 36, der als Halterung für einen Impf- Wachstumsöffnung mit einem Durchmesser von etwa kristall 38 dient. 0,25 mm und einer Länge von etwa 1,59 mm hat; ■ Innerhalb der Ofenumhüllung befindet sich ein die weiterhin hatte das Rohr eine Gesamtlänge von etwa Energie aufnehmender Körper 40 (Susceptor) aus 17 mm. Die Platte 60 war etwas kleiner als 15,9 mm, Kohlenstoff. Das obere Ende des Körpers 40 ist offen, 65 und ihr Rand hatte eine Höhe von etwa 3,2 mm. während sein unteres Ende durch einen Boden ab- Diese Abmessungen sind jedoch nicht kritisch, und geschlossen ist Der Körper 40 wird von einem der Innendurchmesser des Rohres sowie seine Länge Wolframstab 42 gehalten, der im Bett 2 befestigt ist können über einen verhältnismäßig weiten Bereich

variiert werden, wobei immer noch befriedigende Rand des Meniskus der geschmolzenen Säule beob-Ergebnisse erhalten werden. Wichtig ist, daß der achtet werden kann. Bei allen drei Ausführungs-Innendurchmesser des Rohres so klein ist, daß eine formen bleibt die Strahlungsabschirmung, d. h. der Säule aus geschmolzenem Aluminiumoxyd bis zu Deckel 52, zum oberen Ende der Flüssigkeitssäule, seinem oberen Ende aufsteigt, wie es etwa bei 72 in 5 in der das Kristallwachstum auftritt, in einem prak-F i g. 2 dargestellt ist. Weiterhin wurde beispielsweise tisch konstanten Abstand, wenn die Schmelze im (jedoch nicht in einschränkender Weise) ein Wachs- Tiegel 46 verbraucht wird. Genauer gesagt ist das turn von Aluminiumoxydfäden in Rohren erzielt, obere Ende der Säule dauernd von der Strahlungsderen Wachstumsöffnung im Bereich von etwa 0,075 abschirmung umgeben.

bis etwa 0,64 mm lag. Die Rohrlänge liegt Vorzugs- io F i g. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der weise im Bereich von etwa 12,7 bis 76 mm. Der Erfindung. In diesem Fall wird ein Tiegel 46 A mit Innendurchmesser des Rohres unterhalb der Wachs- Deckel 52 verwendet, dessen Innendurchmesser so tumsöffnung kann beträchtlich schwanken und ist groß ist, daß zwei Elemente 61 (bzw. 72 oder 75) nur dadurch begrenzt, daß die erforderliche Kapillar- aufgenommen werden können. Ein Element 61A wirkung vorhanden sein muß. Deswegen kann der 15 wird zum Ziehen des Fadens auf dem an einem Stab Innendurchmesser des Rohres auf seiner ganzen 36 befestigten Impfkristall 38 verwendet. Das andere Länge der gleiche sein wie der der Wachstums- Element 61B ist eine geschmolzene Säule, deren öffnung, doch ist dies zur Erzielung einer befriedi- Temperatur durch das Thermoelement 58 überwacht genden Arbeitsweise nicht nötig. Bei der Ausführung wird. Da die Anordnung der beiden Rohre 61 radialder Erfindung tritt ein Fadenwachstum in oder un- 20 symmetrisch ist, haben die darin enthaltenen Säulen mittelbar unterhalb der Wachstumsöffnung auf. In- der Schmelze praktisch die gleiche Temperaturverfolge des Wachstums und der Entfernung des Fadens teilung. Durch Einfügen des Thermoelements 58 in hat das geschmolzene Aluminiumoxyd die Neigung das Element 61B ist es also möglich, eine angeabzunehmen; jedoch bleibt infolge der fortlaufenden näherte Temperaturanzeige in der Zone der geAuffüllung der Säule durch das geschmolzene Mate- 25 schmolzenen Säule im Element 61A zu erhalten, in rial, das aus dem Tiegel 46 über die öffnungen 70 der ein Fadenwachstum stattfindet. Die durch das nachströmt, die Grenzfläche zwischen festem Stoff Thermoelement 58 erzeugte Anzeige trägt zum Ver- und Flüssigkeit auf der gleichen Höhe. Das fort- ständnis des Wachstumsprozesses, der gleichzeitig gesetzte Wachstum der Fäden führt zu einem Ab- im Element 61A auftritt, bei und erleichtert die Prosinken des Niveaus der Schmelze im Tiegel 46, doch 30 grammierang der Regeleinrichtungen für das Heizbesteht die Flüssigkeitssäule fort, bis kein weiterer element 301, so daß die Temperaturbedingungen der Vorrat an Schmelze im Tiegel 46 mehr vorhanden ist. Schmelze richtig eingestellt werden können. Entfernt

F i g. 3 zeigt eine andere Form des Elements 72, man das Thermoelement 58 und setzt man einen

das zur Förderung des Anstiegs einer Säule aus ge- Impfkristall 38/1 in das Rohr 61B ein, so ist es

schmolzenem Aluminiumoxyd im Tiegel 46 verwendet 35 selbstverständlich mög'ich, zwei Fäden gleichzeitig

werden kann. In diesem Fall bildet ein Rohr 64/4 zu ziehen. Es ist weiterhin möglich, den Tiegel 46 A

mit der Wachstumsöffnung 68 eine Verlängerung zu vergrößern, so daß mehr als zwei Elemente 61,

einer Ringplatte 60/4, die auf dem Boden des Tiegels z. B. sechs Elemente, in einer symmetrischen Anord-

liegt. Das Rohr 64 A ist identisch mit dem Rohr 64 nung angebracht werden können, so daß mehr als

von F i g. 2, mit der Abweichung, daß es einen oder 40 zwei Fäden gleichzeitig gezogen werden können,

mehrere radiale öffnungen 74 am unteren Ende be- Beim Ziehen mehrerer Fäden können die einzelnen

sitzt. Wird dieses Element in den Tiegel 46 gestellt, Impfkristalle an einem gemeinsamen Ziehmechanis-

so geht die Schmelze durch die öffnungen 74 hin- mus oder auch an getrennten Ziehmechanismen be-

durch und steigt dann durch Kapillarwirkung im festigt werden, und ein Element 61 kann für ein

Rohr auf ein Niveau, das über dem Niveau der 45 Thermoelement reserviert bleiben, das, wie in F i g. 5

Oberfläche der Schmelze im Tiegel liegt. dargestellt, eingefügt wird.

F i g. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Nachstehend ist die Arbeitsweise der Vorrichtung

Elements 75 zur Förderung des Aufsteigens einer von F i g. 1 unter Verwendung der Tiegelanordnung

Aluminiumoxydsäule im Tiegel 46. Diese Ausfüh- von F i g. 2 und als Beispiel die Züchtung von «-Alu-

rungsform besteht aus einem länglichen Stab 76, der 50 miniumoxyd-Fäden gemäß der Erfindung beschrie-

von einer ebenen Ringplatte 80 nach oben ragt Der ben. Ein a-Aluminiumoxyd-Impfkristall 38 wird in

Stab 76 enthalt einen Längsschnitt 82, dessen Quer- der Halterung 36 befestigt, wobei eine c-Achse par-

schnitt so klein ist, daß die Oberflächenspannung das allel zur Bewegungsrichtung der Halterung angeord-

Ansteigen einer Säule aus geschmolzenem Alumini- net ist. Gleichzeitig wird eine gewisse Menge praktisch

umoxyd bis zum oberen Ende des Schlitzes verur- 55 reines «-Muminiumoxyd in den Tiegel 46 eingefüllt,

sacht, wenn das Element 75 an Stelle des entspre- dieser wird mit dem Deckel 52 versehen, worauf der

chenden Elements 61 von Fig. 2 in einen Tiegel Tiegel 46 auf einen Wolframstab 44 innerhalb des

gestellt wird. Bei einem Modell der Ausführungsform die Energie aufnehmenden Körpers 40 angebracht

nach Fig. 4 hat der Stab einen Durchmesser von wird. Der Zugang zu der Halterung des Impfkristalls

3 mm und einen Längsschlitz entlang seiner Achse 60 und dem Körper 40 wird dadurch erreicht, indem

mit einem Querschnitt von 0,5 -2 mm und einer das Bett 2 von der Ofenumhüllung nach unten bewegt

Länge von etwa 10 mm. Die letztgenannte Abmes- und die Halterung des Impfkristalls unter das Boden-

sung hängt natürlich von der Höhe des Tiegels ab, ende des Rohrs 4 bewegt wird. Ist dann das Bett

in den das Element gestellt wird. Der Vorteil der wieder in die in Fig. 1 dargestellte Lage gebracht,

Ausführungsform nach Fig. 4 besteht darin, daß sie 65 so wird Kühlwasser zwischen die Wände der beiden

eine stetige Beobachtung der Säule aus geschmolze- Quarzrohre eingeleitet, und die Umhüllung wird

nem Material bei entferntem Deckel ermöglicht, evakuiert und dann mit Helium gefüllt Letzteres

während bei den Rohren 64 und 64 A nur der obere wird anschließend bei einem Druck von etwa 1 at

10

ratur etwas oberhalb der Schmelztemperatur g Oberfläche und einen kreisförmigen Querbracht, die im ^Bere!£\;_a ^o _n ⁿ/_s^_t ^b^fAluminS- schnitt gekennzeichnet. Die anderen Habitus haben

mmmimmmm

auf eine Tiefe von etwa O^ mir™ _{ß dem ein bestimmter} Habitus als Keim angeleg ist

150 mm/mm h^^^^⁰¹™,.^ ^_{ie wieder aufnehrae}n. Der dann wachsende Dendnteo-T¹¹SSSSSin der geschmol- faden ist von der gleichen Art wie der ursprunglich

SWdtniteiiiander *> gewachsene, bevor er von der Schmelze getrennt

J Ä^raSr Tt Röntgenrückstrahlaufnahmen von «,Alunü-

Smgetendä geschmolzenen niumoxyd-Fäden, die nach dem vorstehend beschne-

^Temperatur der Schmelze benen Verfahren hergestellt wurden, zeigen gewisse

äSitiS^SSiSdi findet beim ersten Her- *5 interessante Merkmale, insbesondere, daß. die Faden

ISS des Impfkristalls kein kontinuierliches aus ein oder zwei, in einigen Fallen drei oder wer

Wachstum statt An dieser Stelle sei bemerkt, daß Kristallen bestehen, die in Längsrichtung zusamrnen-

u « Tr,,™H« Meniskus durch den Impfkristall wachsen und durch eine Korngrenze mit einem med-

^?Sffit^rS?S«Sde der geschmol- rigen Winkel (innerhalb von 3° nach der c-Richtung)

~nen Se zukTist ist dangen das obere Ende 30 voneinander getrennt sind. So zeigte eine Laue-Auf-

der Lschmokenen Säule zu heiß, so schmilzt der nähme eines Fadens, der mit einem nach der c-Acnse

imofkrismU Dk^Temperatur der Schmelze wird dann orientierten Saphir-Impfkristall gezogen wurde eine

ÄrSend emLsTent und der Impfkristall wird dreizählige Symmetrie, jedoch mit der Abweichung

entsprechend emgestent, u *g_ebracht. Daß daß jede Reflexion in drei oder vier Flecken gespalten

SΓΑTemper der Smelze" erreicht ist, 35 war, was auf die Anwesenheit von drei oder vier

Ifrrt durch den Beginn eines dendritischen Wachs- Kristallen hindeutete, deren c-Achsen ungefähr _Par-

Tums am Ende deXpftristalls angezeigt. Danach allel zur Fadenachse verliefen, aber zueinander etwas

S deT Impfkristall mit einer Geschwindigkeit her- fehlorientiert waren. Andere Fäden ergaben noch

Tstzogen d^de7(Sschwindigkeit entspricht, mit kompliziertere Beugungsfiguren, die aber im aUge-

der das dendritische Wachstum sich in die Schmelze 40 meinen immer noch die Merkmale der dreizahl gen

i jh ölih dß man die Tem Symmetrie hatten Die Fäden die in Langsnchtang

dendritische Wachstum sich in die Schmelze 4 meinen immer noch die Merkma zt Es isjedoch möglich, daß man die Tem- Symmetrie hatten. Die Fäden, die in Langsnchtang der SchmSze und die Ziehgeschwindigkeit verdrillt erscheinen, sind wahrscheinlich in Wirkhch-ÄS änt™ muß, um den Wa^hstumsprozeß keit auch verdrillt, da die Kristallenden oft durch ™ ootimieren Wird der lmpflcristaii stetig mit der zwei diskrete Tunkte gekennzeichnet sind Der richtigen Geschwindigkeit herausgezogen, so erfolgt 45 wesentliche Gesichtspunkt der Erfindung besteht H fk Wachstum bis die Schmelze erschöpft jedoch dann, daß der Impfkristall so angebracht ist ^f^ddii daß das Wachstum entlang der c-Achse <0001>

fl d h dß di Ah lll Begung^

Siwem^fF^enKngeistnurdurdidiemaxi daß das Wachstum entlang der cAchse <

male ZiTSe des Ziehmechanismus 34 begrenzt. erfolgt, d. h., daß die c-Achse parallel zur Bewegung^

Der DuXesser des gezüchteten Fadens kann durch achse der Kristallhalterung verläuft- Obgleich eu Slen der Ziehgeschwindigkeit und/oder der 50 Wachstum auch dann stattfindet, wenn der Impf

KenL Sr geschmolzenen Säule variiert werden. kristall so angebracht ist, daß seine c-Achse in emen

V?Sdet man^ein Thermoelement, das in der in Winkel zur Impfkristallhalterung steht, erhalt mal

V ϊ σTSSeebenen Weise angebracht ist, so daß es unter diesen Bedingungen ein Produkt mit schlech

iJmnerSe? reStriert, die ähnlich denen in der teren Eigenschaften. Fäden, die in c-Richtung wach

lemperaruren reg« ^, _{habeQ latfe} Oberflächen und erne besser

S?fSSfflS2nSäÄ so braucht die Festigkeit, wahrend Fäden, die in einem Winkel »

ΐ ™!ϊ£ΪΓΐη der Wachstumszone nicht konstant c-Achse wachsen, z. B. in einem Winkel bis zu 10

«Se? zu werden, um ein stetiges Fadenwachstum unregelmäßige Oberflächen und eine geringere Festif

„_m-pi_m statt dessen kann die Temperatur inner- keit haben.

KlTdS" SSn BereichTschwanke^ wobei die 60 Aus Gründen der Einfachheit und um den Schlu

£S?2 SS ^hidikit id dß di Fäd lkristallin srn<

% Bereiches von der Ziehgeschwindigkeit zu vermeiden, daß die Fäden polykristallin am

'.KhSnot Der verwendbare Temperaturbereich ver- werden die Fäden gemäß der Erfindung als »mon(

Jäfäh rSfhSnZiehgeschwnrdigkerten und ver- kristalline«-Fäden bezeichnet Dieser Begriff urnfcd

Serf sS S niedrigeren Ziehgeslhwmdigkeiten. Fäden rmt unbestimmter Länge die über einen b De?mbitu?Lr tSförmigen Kristalle, die nach 6_S stimmten Ted ihrer Länge, der die maximalen Que

d_PmvOTsteSd angegebenen Verfahren hergestellt schnittsabmessungen überschreitet, aus einem Er

JKÄÄ2SS», die allgemein in vier ver- kristall oder zwei oder mehreren EnfaM«^

Sedene Klassen eingeteilt werden können, von zusammen in Längsrichtung wachsen, die ₃edo<

11

durch eine verhältnismäßig «£5^^ beSfn^^S^^^^w^ung

durch eine venumuia"iauu₆ .---- ~ : _{t sind} bed ngt notwendig ist, wira uci uu^ . =

niger als 4°) Korngrenze voneinander getrennt sind, ^ _T»_{mperaturverteilung} _m _der Schmelze, sowohl

... daß " "' ' "'" "'""^l* ^:~ r-™"»™ τ ver

nungen übereinstimmen, durch die ™ f™&* £ _{M nimmt daß diese} Eigenschaft da-

werden. Die erfindungsgemäß w«g*^ο^ mr verantwortlich ist, daß das Molybdän in der Lage

und Schlitzstangen formen den FJg^^ÄS ¹⁰ ^' ^ ^{WämeVerlUSte aUS to Sch}^ ι ""fS^

insoweit, als sie die Temperatorgradienten b^timmer^ ₁₀ ^ _{und die} ^.^^ ^ _{longlt dmalen T}empe-

Die Form des Fadens scheint durch die J^ei"P™ _ratUrgradienten im größeren Schmelzvorrat und im

gradieren, die Durchschnittstemr,era ur der Schmelze jj^ _{zu regdn Dieser Wärme}abschirmungs-

und die Orientierung des topflmstifls ^emuu|t V^ begünstigt nicht nur die Einstellung der ge-

sein. Die Ziehgeschwindigkeit ^bee^^ußtJ^'^ _nauen Temperaturverteilung, die zur Förderung des

des Fadens und scheint in gewissem Umfang aucn _l5 ^.^^ £_{ristallwachstums} nötig ist, sondern ge-

biflussen h i Utkühl der Säule m der Zone

des Fadens und scheint in gew ^^^ £_{ristallwachstums} nötig ist, sondern ge

seine Form zu beeinflussen. Verfahren stattet auch eine Unterkühlung der Säule m der Zone,

Es sei noch darauf hingewiesen,daßIdas νm»J _der ^^^^ _eingeführt wird Naturlich

nicht memer Helium-oder ^gonatoosr^hare du ch ^ ^ ^ _selbst ^ ^^^^„ηΒ

geführt zu werden braucht; die UmhuUgg te; Ofens ^^^ ^.^^ ^ ^^^ _{trale Wachs}-

kann vielmehr auch bis auf einen geeigneten we _{20 tumsöffnung mit einem belieb}ig_en Durchmesser, evakuiert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Ziehen eines einkristallinen Körpers aus der Schmelze eines kongruent und hochschmelzenden Materials, die in einer Kapillare angeordnet ist, welche mit einer Vorratsschmelze in Verbindung steht, bei dem ein Impfkristall durch die obere Öffnung der Kapillare in die Schmelze eingeführt und mit einer die Kristallwachstumsgeschwindigkeit nicht überschreitenden Geschwindigkeit herausgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß nur das untere Ende der Kapillare in die Vorratsschraelze eingetaucht und die Kapillare ausschließlich mit Hilfe der Kapillaraszension aus der Vorratsschmelze so mit Schmelze gefüllt wird, daß in der Kapillare eine Schmelzsäule gebildet wird, die sich von der Vorratsschmelze bis hinauf zu der oberen öffnung der Kapillare erstreckt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gckennzeichnet, daß mehrere Kapillaren in die Vorratsschmelze eingetaucht und aus jeder von ihnen gleichzeitig einkristalline Körper gezogen werden.

3. Vorrichtung zum Ziehen eines einkristallinen Körpers aus einem kongruent und hochschmelzenden Material mit einer Kapillaren, in der sich eine Schmelze befindet, die mit einer Vorratsschmelze in Verbindung steht und mit einem Impfkristall, der durch die öffnung der Kapillare in die Schmelze eingeführt und mit einer das Kristallwachstum nicht überschreitenden Geschwindigkeit herausgezogen werden kann zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillare (61, 61 a, 61 b, 72, 75) derart angeordnet ist, daß ihr oberes Ende aus der Vorratsschmelze (59) herausragt und ihr unteres Ende in die Vorratsschmelze in einer solchen Tiefe eintaucht, daß sich durch Kapillaraszension eine Säule der Schmelze bildet, die aus der Vorratsschmelze bis zu der oberen öffnung der Kapillaren emporragt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 zur gleichzeitigen Herstellung mehrerer monokristalliner Körper, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kapillaren gleichzeitig in die Vorratsschmelze eintauchen und daß mehrere Impfkristalle vorgesehen sind, die durch die öffnungen der Kapillaren in die Schmelze eintauchen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Vorratsschmelze enthaltende Schmelztiegel (46) mit einem Deckel (52) bedeckt ist und die Kapillare bzw. die Kapillaren durch eine bzw. mehrere öffnungen (54) dieses Deckels hindurchgehen.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillare(n) durch den Schmelztiegel gehaltert ist bzw. sind.