DE1769659C - Vorrichtung zur Züchtung von Einkristallen - Google Patents
Vorrichtung zur Züchtung von EinkristallenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Züchtung
von Einkristallen, gegebenenfalls unter Verwendung von Keimkristallen, durch Abkühlen einer
schmelzflüssigen Lösung im Temperaturbereich der Übersättigung, und zur Abtrennung der hergestellten
Kristalle von der Restschmelze, mit einem allseits verschlossenen Tiegel, der mit einer Entlüftungsvorrichtung
versehen ist und der die schmelzflüssige Lösung enthält.
Bei der Züchtung von Einkristallen werden an die Reinheit der Ausgangsstoffe, der Hilfsschmelze und
des Tiegelmaterials hohe Anforderungen gestellt, um Einkristalle mit optimalen magnetischen, elektrischen,
optischen und akustischen Eigenschaften zu erhalten.
Es ist bekannt, zur Züchtung von Yttrium-Granat-Einkristallen
als Hilfsschmelze ein Gemisch von Bleioxid und BJdfluorid zu verwenden. Diese Hilfsschmelze
hat jedoch den schwerwiegenden Nachteil eines hohen Dampfdrucks bei der Lösungstemperatur
von etwa 12500C. In diesem Medium neigen die
Granatkristalle dazu, sich unterhalb 950° C wieder aufzulösen. Man hat daher versucht, nach einem
kurzen Abkühlungszeitraum die Kristalle durch Abgießen der überschüssigen Flüssigkeit bei 1040° C
außerhalb des Ofens abzutrennen (Electronics, Bd. 37, Nr. 5 [1964], S. 44, 45). Dies verursacht jedoch
einen thermischen Schock. Um dies zu verhindern, ist es bekannt, die Hilfsschmelze bei 950° C
innerhalb des Ofens dadurch abzuziehen, daß man eine Abflußöffnung im Eoden des Tiegels schafft
(H. S. Peiser [Herausgeber], ^Crystal Growth«, Ergänzungsband zu J. Phys. Chem. Solids [1967],
S. 441 bis 444).
Bei den bekannten Verfahren geht die sehr teure Hilfsschmelze entweder völlig verloren, oder ihre
Zusammensetzung ändert sich durch Verdampfung derart, daß sie nicht wieder zu verwenden ist. Ferner
werden die vorzugsweise aus Platin bestehenden Tiegel während des Verfahrens und/oder beim
öffnen beschädigt. Dies verursacht Materialverluste und hohe Umformkosten.
Um das Entweichen von Luft und überschüssigem Dampf während des Aufheizens zu ermöglichen, ist
es ferner bekannt, den Tiegeldeckel mit einem Ventil zu versehen, das aus einem kleinen Loch im Tiegeldeckel
und einem diesem Loch angepaßten, mit einer Spitze versehenen Piatinstab besteht. Eine Verlängerung
des Platinstabe« führt aus dem Ofen heraus, so daß der Schließdruck des Ventils durch Anbringen
von Gewichten so verstärkt werden kann, daß der Dampfdruck der Schmelze bei der Kristallisationstemperatur nicht ausreicht, um das Ventil zu öffnen
(britische Patentschrift 952 385).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verluste an Hilfsschmelze und Beschädigungen der
Tiegel zu verhindern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer Vorrichtung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist,
daß an der Außenseite in der oberen Hälfte des Tiegels ein EntlUftungsrohr angebracht ist, das S-förftiig ausgebildet und nach unten abgebogen ist und
das hinreichende Länge besitzt, so daß im gedrehten Zustand keine Schmelze ausfließen kann, daß sich
Segebenenfalls ein Keimkristall im Tiegel oberhalb er Schmelze befindet und daß der Tiegel in einem
Heizofen mittels einer Halterung um eine zur Oberfläche der Schmelze parallele Achse drehbar angeordnet ist.
Durch das Entlüftungsrohr wird eine ständige Verbindung mit der Atmosphäre außerhalb des Tiegels
geschaffen und der Überdruck innerhalb des dichten Tiegels, der sonst durch den hohen Dampfdruck der
Hilfsschmelze entsteht, vermieden. Dadurch wird das bisher häufig beobachtete Verbeulen, Unüchtwerden
oder Plagen des Tiegels verhindert. Die. S-förmige Ausbildung des Entlüftungsrohres hat zur Folge, daß
dieses Rohr während des Verfahrens ständig Dampf ίο aus der Hilfsschmelze enthält. Dieser DampfpufTer
wirkt druckausgleichend und verhindert ein eruptives Entweichen von Hilfsschmelze bzw. Dampf aus da
Hilfsschmelze. Die zuvor erwähnte bekannte ventilartige Entlüftungsvorrichtung ist für die erfindungsgemäße
Vorrichtung ungeeignet, da durch sie die Drehbarkeit des Tiegels ausgeschlossen wäre. Außerdem
wird durch dieses Ventil kein ständiger Druckausgleich während des Verfahrens erzielt.
Um den Tiegel auf einfache Weise, z. B. durch ao Schweißen, öffnen und Schließen und zugleich auch
wiederverwenden zu können, besteht nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung der Tiegel aus einem
Hohlzylinder mit Verschlußteilen, wobei der Rand mindestens eines Verschlußteils parallel zum Rand
as des Hohlzylinders verläuft und die beiden Ränder dicht miteinander verbunden sind.
Mittels der Vorrichtung nach der Erfindung können die entstandenen Kristalle durch Drehen des
Tiegels innerhalb des Ofens von der noch flüssigen Restschmelze getrennt werden. Auf diese Weise
können die Kristalle nach Beendigung der Kristallisation ohne thermischen Schock und ohne Verlust
der Restschmelze von der Restschmelze abgetrennt werden.
Mittels der Vorrichtung naci ..'er Erfindung ist es
darüber hinaus auch möglich, bei hoher Temperatur im Temperaturintervall der Übersättigung oder möglichst
kurz nach spontaner Keimbildung einer Keimkristall einzubringen. Dazu wird ein innerhalb des
Tiegels oberhalb der Schmelze angeordneter Keimkristall im Temperaturintervall der Übersättigung
oder kurz nach erfolgter spontaner Keimbildung durch Drehen des Tiegels in die Schmelze eingebracht.
«5 In diesem Falle muß der Tiegel also insgesamt
zweimal gedreht werden. Das Einbringen eines Keimkristalls im obengenannten Temperaturintervall bzw.
zum obengenannten Zeitpunkt wird durch die Drehbarkeit des Tiegels ermöglicht. Dies hat den Vorteil,
daß eine Auflösung des Keimkristalls in der Hilfsschmelze vermieden wird, die eintritt, wenn der
Keimkristall sich von Anfang an in der Hilfsschmelze befindet, wie es bei den in der britischen Patentschrift
952 385 und in der deutschen Auslegeschrift 1 037 353 beschriebenen Verfahren der Fall ist.
Die Anwendbarkeit der Erfindung ist nicht auf die ZUchtung von Yttrium-Granat-Einkrisfallen beschränkt; mittels der Vorrichtung nach der Erfindung
können vielmehr Einkristalle verschiedenster Art, insbesondere nicht kongruent schmelzende Einkristalle, aus einer Hilfsschmelze gezüchtet werden.
Ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden an
Hand von zwei Versuchen näher beschrieben. Es «3 zeigt
Fig. 1 den Hohlzylinder 1 mit Verschlußteil 2 im
Schnitt,
Fig. 2 ein Schema des Ofens,,in dem das dichte
Claims (1)
- 3 4Gefäß bzw. der Tiegel 3 in einer Halterung 4 an- Versuch 2
geordnet ist.Versuch 1 Für den Versuch 2 wurden Schmelze und Tiegelvon Versuch 1 benutzt. Dazu wurde der abgeschnit-Ein Platinhohlzylinder 1 wurde mit einem stramm- 5 tene Boden wieder angeschweißt und der Tiegel ersitzenden, hochrandigen Verschlußteil 2 (Fig. 1) auf hitzt, um den Deckel mit dem Entlüftungsrohr nach einer Seile derart versuhlossen, daß die Enden der Abschneiden der Schweißnaht abnehmen zu können, beiden Platinformteile mit einem elektrischen Dabei trat etwas Schmelze aus dem Entlüftungsrohr Schweißgerät dicht verschweißt werden konnten. aus. Die Ausbeute von 70 g Y11FexO12 aus Versuch 1 Durch mehrmaliges Vorschmelzen wurde die aus der io wurde ersetzt und 10 g PbF2 zugegeben, um die Vernachfolgenden Tabelle ersichtliche Einwaage von dampfungsverluste auszugleichen.
1400 g eingebracht. Um die starke Unterkühlung der Schmelze und dax , mit das dendritische Wachstum zu verhindern, wurde laDelle bei diesem Ansatz ein Keimkristal! verwendet. EinpbO · ■ 39,21 Gewichtsprozent 15 Kristall des Versuchs 1 wurde dazu durchbohrt undpbF2 32,08 Gewichtsprozent mit einem Platindraht an den Deckel angeschweißt.B2°3 1,82 Gewichtsprozent Der Tiegel wurde dann mit diesem Decke! zu-CaO 0,27 Gewichtsprozent geschweißt und in den Ofe.-. gebracht, wie eä bei Ver-Fe2°3 2,59 Gewichtsprozent such 1 beschrieben worden ist. Dann wurde der OfenHilfsschmelze 75 97 Gewichtsorozent ao so weit aufgeheLzt· daß die ^".^""!T am 7'ege!;I3.VI ue.ucmsprozent ^^ u8Qo c betrug) anschließend wurde aufFe2°3 13,00 Gewichtsprozent 1250° C abgekühlt und weiter mit etwa 0,5° C/h aufY2°3 11,03 Gewichtsprozent 1220° C und mit etwa 0,2° CIh auf 1180° C. tieiGranat 24 03 GewichtsDrozent dieser Temperatur wurde der Tiegel gedreht, so daß>UJ ^W'OKsprozent a;. ^m der Decke, mit dem Keimkristall unten war. MitEs entstand ein Gewichtsverlust von 24 g, 'Jer 0,4° C/h wurde weiter abgekühlt bis 950° C und durch Zugabe von 16 g PbF2 und 8 g PbO kompen- dann der Tiegel wieder gedreht, so daß der Deckel siert wurde. Mit einem zweiten, gleichartigen Ver- wieder oben war und frei von Schmelze laufen schlußteil 2, in das ein S-förmiges Entlüftungsrohr 5 konnte. Nach vollständigem Abkühlen und öffnen (Fig. 2) eingeschweißt worden war, wurde der Tie- 30 des Ofens zeigte sich, daß wiederum vier Kristalle gel 3 verschlossen und verschweißt und in einen gewachsen waren, die zusammen 52 g wogen.
Trägertiegel 6 aus gesintertem Aluminiumoxyd ein- „ ...
gebracht. Die Zwischenräume wurden mit Alu- Patentansprüche,
miniumsilikat-Watte 7 ausgefüllt. Diese Isolation 1. Vorrichtung zur Züchtung von Einkristallen, dient dazu, etwaige kleine, kurzzeitige Temperatur- 35 gegebenenfalls unter Verwendung on Keimschwankungen auszugleichen. Fig. 2 zeigt die An- kristallen, durch Abkühlen einer schmelzflüssigen Ordnung im Ofen. Lösung im Temperaturbereich der Übersättigung,Die Stellung des Tiegels 3 am Beginn des Tem- und zur Abtrennung der hergestellten Kristalleperaturprogramms geht aus F i g. 2 hervor. Der Ofen von der Restschmelze, mit einem allseits vtr-wurde zum Aufschmelzen mittels der Heizvorrich- 40 schlossenen Tiegel, der mit einer Entlüftungs-lung 9 auf 13000C (Temperatur am Boden des vorrichtung versehen ist und der die schmelz-Platintiegels) gebracht und entsprechend einem Tem- flüssige Lösung enthält, dadurch gekenn-peraturprogramm abgekühlt. Bei 10100C wurde der zeichnet, daß an der Außenseite in der oberenTiegel im Ofen durch Drehung der aus dem Ofen Hälfte des Tiegels (3) ein Entlüftungsrohr (5) an-herausragenden Aufhängungsachse, einem Bestand- 45 gebracht ist, das S-förmig ausgebildet und nachteil der Halterung 4, gedreht. Die am Boden ge- ,inten abgebogen ist und das hinreichende Längewachsenen Kristalle wurden auf diese Weise von der besitzt, so daß im gedrehten Zustand keineSchmelze 8 getrennt. Nach Abschneiden der Schweiß- Schmelze ausfließen kann, daß sich gegebcnen-fiaiit konnte der Boden, der sich jetzt oben befand. falls ein Keimkristall im Tiegel oberhalb derherausgenommen werden. Neben einigen Magnet- 50 Schmelze befindet und daß der Tiegel (3) inoplumbitkiistallen (PbFe12O19) waren vier Granat- einem Heizofen mittels einer Halterung (4) umkristalle gewachsen. eine zur Oberfläche der Schmelze parallele AchseDer größte Kristall wog 49 g, die Gesamtausbeute drehbar angeordnet ist.betrug 70 g, was 20%> des eingesetzten Y2O3 ent- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge-•pricht. 55 kennzeichnet, daß der Tiegel (3) aus einem Hohl-Das Gewicht des Tiegels hatte während des Kri- zylinder (1) mit Verschlußteilen (2) besteht, wostallisationsvorganges um 10 g abgenommen. Da bei der Rand mindestens eines Verschlußteiles etwas Schmelze aus dem Entlüftungsrohr 3 aus- (2) parallel zum Rand des Hohlzylinders (1) vergetreten war, liegt demnach der Verdampfungsverlust läuft und die beiden Ränder dicht miteinander unter 1%> der eingesetzten Bleiverbindungen. 60 verbunden sind.Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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