DE1907374A1 - Einkristall aus Korund und Verfahren und Vorrichtung zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

PATENTANWALT

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ucif. '" ,—ίότύ 12. Februar I969

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6 Frankfurt d.n i^ain 70

Schneckenhofstr. 27 - TeL 617Q79

UNION CARBIDE CORPORATION, 27o Park Avenue, New York, U.S.A.

Einkristall aus Korund und Verfahren und Vorrichtung zu seiner Herstellung

Synthetische Kristalle aus Korund, die auch als°c-Aluminiumoxyd und Saphir bezeichnet werden, sind "bisher in verschiedenen Formen nach verschiedenen Verfahren hergestellt worden. Bei dem "bekannten Flammschmelzen nach Verneuil wird ein einkristalliner Stab oder Körper aus Korund wie folgt hergestellt: man bringt pulverförmige, den Kristall bildende Stoffe in einen Sauerstoffstrom, der zu einem Sauerstoff-Wasserstoff-Brenner geführt wird. Das Pulver schmilzt und wird auf der geschmolzenen Oberfläche eines Impfkristalls abgelagert. Durch Regelung der Flamme und der Zufuhrgeschwindigkeit des Pulvers wird auch die Wachstumsgeschwindigkeit geregelt. In dem Maße, wie der Körper wächst, wird der Impfkristall allmählich aus der Flamme herausgezogen. Auf diese Art können zylindrische Stäbe aus Korund mit Durchmes-r sern bis zu 2,5 cm und mehr und mit Längen bis zu 3o cm und mehr hergestellt werden.

Das Flammschmelzverfahren kann auch so geändert werden, daß Scheiben und Gewölbe mit Durchmessern bis zu etwa 12,5 em entstehen. Dieses Verfahren ist beispielsweise in den USA-Patentschriften Nr. 2 852 89o und Nr. 2 962 838 beschrieben. Aus dem

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gewachsenen Material werden durchsichtige Scheiben oder andere Körper geschnitten. Man kann sie so polieren, daß ihre parallelen Oberflächen Scheiben bilden mit Oberflächen bis zu etwa

ρ
13o cm . Solche Seheiben werden in der Wissenschaft und in der Militärtechnik verwendet, da ihre optischen Eigenschaften gut sind und da das Verhältnis von Festigkeit zum Gewicht besser ist als bei anderen durchsichtigen Stoffen. Man kann solche Scheiben z.B. als durchsichtige Panzerung für militärische Fahrzeuge und dergl. verwenden.

Es besteht aber ein Bedürfnis nach noch größeren Körpern aus einkristallinem Korund, insbesondere nach plattenförmigen Körpern, die zu großen Scheiben verarbeitet werden können, insbesondere zu solchen Scheiben, die größer sind als sie nach dem Flammschmelzverfahren erhalten werden. Das Verfahren nach Czochralski erlaubt es, einkristalline Körper mit Durchmessern bis zu 5 cm und einer Länge von 3o cm oder mehr herzustellen. Die Form dieser Körper ist aber nicht besonders gut dazu geeignet, aus ihnen große Seheiben herzustellen. Bei dem Verfahren nach Czochralski stellt man eine Schmelze des kristallinen Materials her. Dann taucht man einen Impfkristall in die Schmelze und zieht i**i langsam heraus, so daß ein länglicher Kristallkörper entsteht. Während des Herausziehens läßt man den Körper langsam rotieren, um die Temperatur und die Wachstumsbedingungen an der Grenzfläche zwischen der festen und flüssigen Phase auszugleichen. Scheiben aus solchen Körpern haben einen Durehmesser von nur etwa 5 cm, was den Anforderungen noch nicht genügt.

Ein Ziel der Erfindung sind einkristalline gewachsene Körper oder Tafeln aus Korund oder einem anderen geeigneten Material, die große brauchbare Oberflächen haben.

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Ein weiteres Ziel der Erfindung sind große oberflächlich polierte Körper aus einkristallinem Material, z.B, in der Form von Rechtecken, Quadraten und dergl., wobei derartige Formen und Größen nach den bisherigen Verfahren nicht hergestellt werden konnten.

\7eitere Ziele und Aufgaben der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung großer Körper aus einkristallinem Material, insbesondere aus Korund, besteht darin, daß man eine Schmelze des Kristall bildenden Materials herstellt. Auf der Oberfläche dieser Schmelze bildet man ein schmales längliches Gebiet bei einer Temperatur, die das Kristallwaehstum erlaubt. Diese Temperatur ist niedriger als die Temperatur der unmittelbar anliegenden Gebiete auf allen Seiten des länglichen Gebietes.diesem Gebiet .taucht man einen Impfkristall in die Schmelze ein und läßt das Kristallwachstum fortschreiten. Der Impfkristall ist zu der Schmelze und dem länglichen Gebiet so orientiert, daß die Richtung des schnellsten Wachstums senkrecht in die Schmelze hineinverläuft, und daß die Ebenen des langsamsten Wachstums senkrecht zur Längsachse des länglichen Gebietes verlaufen. In dem Maße, wie der Kristall wächst, ^ieht man den Impfkristall langsam nach oben heraus. Das Wachstum findet hauptsächlich in der Zugrichtung statt, ferner in der Längsrichtung des länglichen Gebietes. Es entsteht hierbei eine kristalline Tafel von größerer Länge und Breite, als es die Dicke iot. Der Wachsende Kristall wird solange herausgezogen, bis eine Platte der gewünschten Länge entstanden ist.

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Nach diesem Verfahren werden einkristalline massive längliche Tafeln aus Korund mit praktisch gleichmäßiger Dicke erhalten. Die Längsachse der Platte verläuft parallel zu der a-Achse des Kristalls. Die Seitenflächen der Platte liegen in parallelen Grundebenen. Etwaige Wachsturnslinien verlaufen im wesentlichen in einer Ebene senkrecht zu der a-Achse.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung solcher Körper enthält einen Tiegel mit einem rechtwinkligen Querschnitt. Der Tiegel ist an seinen Seiten und am Boden umgeben von isolierendem Material. Die Spule einer Induktions-Heizung mit einem rechtwinkligen Querschnitt ist symmetrisch um das isolierende Material und den Tiegel herum angeordnet. Durch Induktion werden die Wandungen des Tiegels erhitzt. Auf dem Tiegel befindet sich ein Deckel, in welchem mittig eine rechteckige Öffnung enthalten ist. Die Längsachse dieser öffnung verläuft parallel zu der Längsseite des Tiegels. Um die Kante der Deckelöffnung verläuft eine -Leitung für abzuziehende Gase aus dem Tiegel. Diese Leitung läuft kontinuierlich um die Kante der Öffnung. Die Länge und Breite der Öffnung in dem Deckel ist etwas größer als die Länge und Breite der herauszuziehenden Platte. Es sind ferner Vorrichtungen vorgesehen, um durch die Leitungen hindurch Gase aus dem· Tiegel abziehen zu können. Wenn der Tiegel aufgeheizt wird, so gelangt die Wärme zu der Charge des Kristalle bildenden Materials im wesentlichen von den Seitenwandungen des Tiegels in die Schmelze. Das geschmolzene Material fließt also entlang den Seitenwandungen des Tiegels aufwärts bis zur Oberfläche und dann waagerecht bis zur Mitte der Oberfläche der Schmelze. Dort wird die Wärme durch Strahlung senkrecht durch die Öffiiung im Deckel hindurch abgeführt. Hierzu trägt bei ein Strom von Kühlgas, das von außen über die Oberfläche der

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Schmelze strömt und durch die Leitungen abgeführt wird. Hierdurch entsteht ein längliches Gebiet tieferer Temperatur in der Mitte der Oberfläche der Schmelze. Die Längskanten dieses Gebietes verlaufen parallel zu den Längsseiten des Tiegels. In der Mitte der Schmelze strömt das geschmolzene Material wieder senkrecht herab. Man bringt einen Impfkristall aus Korund so auf die Oberfläche der Schmelze auf, daß seine a-Achse senkrecht und seine Grundebenen parallel zu der Längsachse des länglichen Gebietes verlaufen. Dieses Gebiet wird bei einer Temperatur gehalten, bei welcher der Kristall wachsen kann. Die angrenzenden Gebiete der Schmelze haben eine höhere Temperatur, bei welcher ein Kristallwachstum nicht unterstützt wird. Man taucht den Impfkristall, der so orientiert ist, in die Mitte des länglichen Gebietes ein. In dem Maße, wie der Kristall wächst, wird der Impfkristall aus der Schmelze hervorgezogen.

Die Zeichnungen erläutern einige Ausfjhrungsbeispiele der Erfindung.

Es zeigen:.

Pig. 1 eine erfindungsgemäße Platte aus einkristallinem Korund. Eingezeichnet ist eine rechtwinklige Scheibe, die aus der Platte geschnitten werden kann;

Fig. 2 die Kristallstruktur von Korund mit den wesentlichen Ebenen, auf welchen dn Kristallwachstum stattfinden kann. Drübergelegt ist eine einkristalline Scheibe, die aus einer erfindungsgemäßen Platte geschnitten werden kann;

Fig. 3 schematisch, teilweise im Schnitt, einen Ofer und einen darin enthaltenen Tiegä- für die Aufnahme der Schmelze;

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Fig. 4 den Tiegel mit dem Deckel darauf und die Mittel zum Aufrechterhalten und zum Regeln der Temperatur in den verschiedenen Gerieten der Schmelze;

Fig. 5 schematisch im senkrechten Schnitt einen Tiegel, einen Deckel und Kühlvorrichtungen. Man sieht das Wachstum der einkristallinen Platte aus der Schmelze entlang dem länglichen Gebiet;

Fig. 6 schematisch in einem senkrechten S_chnitt die Gesamtanlage für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens .

Die Fig. 1 zeigt eine mas&ve einkristalline Platte 1o aus Korund, in der gewachsenen Form, die etwa dem Blatt eines Padtelruders entspricht. Die Platte war an einem richtig orientierten Impfkristall 11 angewachsen. Der Impfkristall war eingetaucht in eine Schmelze von Alumimimoxyd mit geeigneter Temperaturregelung. Dann wurde in dem Maße, wie das Aluminiumoxyd kristallisierte, der Impfkristall langsam hervorgezogen. Wegen der richtigen Orientierung des Impfkristalls und wegen des Aufrechterhaltens des länglichen GeMetes in der Schmelze, in welcher der Kristall wuchs, wuchs dieser in der Längsrichtung und in der Breitenrichtung sötf viel schneller als in der Dickenrichtung. Die Länge L und die maximale Breite W der Platte sind sehr viel größer als ihre Dicke T. Der mit Li "bezeichnete Teil der Platte entstand anfänglich, wobei die Breite des Kristalls allmählich bis zu ihrer maximalen Breite W zunahm. Der mittlere Teil der Platte, der mit Le bezeichnet ist, entspricht dem Wachstum, wobei der Kristall mit einer maximalen Breite hervorgezogen wird. Innerhalb dieses Gebietes Le kann eine rechtwinklige oder

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anders geformte Scheite maximaler Breite herausgeschnitten werden. Eine derartige Scheite 12 ist mit gestrichelten Linien dargestellt. Der untere Teil der Platte, der mit Lf "bezeichnet ist, entspricht dem Endstadion des Wachsens, wobei der Kristall schnell aus dem fast erschöpften Bade des geschmolzenen Materials herausgezogen wird.

Die Dicke T des Kristalls ist mehr oder weniger gleichförmig, äußer an den äußeren Enden 13 und 14, wo die Dicke kegelförmig " abnimmt. Die mit gestrichelten Linien dargestellte Scheibe 12 ist einer der möglichen rechtwinkligen oder quadratischen Gegenstände, die mit maximaler Breite aus der Platte 1b g.eschnitten werden können. Es ist klar, daß man verschiedene andere Körper gleichmäßiger oder sich ändernder Dicke aus der Platte schneiden kann, wobei diese beliebige Längen und Breiten haben können. Gegebenenfalls kann man auch eine lange Platte von der gesamten Länge L des Kristalls herausschneiden und hierfür nicht nur den Teil Le verwenden.

Die Fig. 2 zeigt die hexagonale Kristallstruktur von Korund. Das Kristallwachstum geschieht durch Aufnahme von Atomen in das Kristallgitter in jeder der Kristallebenen. Das Wachstum durch Aufnahme von Atomen in einer a-Ebene ist das Wachstum in der a-Richtung, die senkrecht zu derarEbene verläuft. Das Yfachstum in der c-Richtung geschieht durcn die Aufnahme von Atomen in Ebenen, die senkrecht zu der c-Richtung sind, d.h. senkrecht zu den Grundebenen (ooo1), oder senkrecht zu den Ebenen der dichtesten Atompackung für den hexagonalen Kristal^aus Korund. Das Wachstum in der m-Richtung geschieht in einer Richtung senkrecht zu der a-Riehtung. Der Kristall kann ferner in einer r-Richtung senkrecht zu den r (1οΤΌ -Ebenen geschehen, die

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nicht abgebildet sind. Diese letztere Richtung verläuft in einen Winkel gegen die hauptsächlichen a- und c-Richtungen.

Das Kristallwachstum bei Korund findet schneller statt in der a-Riehtung als in der m-,r~ oder c-Richtungen. Am langsamsten wächst der Kristall in der c-Richtung, da die G-rundebenen eine geringere Energie für das Kristallwachstum haben und eine Tendenz haben, flache Oberflächen an jeder Seite des Kristalls zu bilden. Ebenso bilden sich flache Oberflächen an den r-Ebenen. Das Wachstum in der m-Richtung ist schneller als diese beiden letzteren, aber nicht so schnell wie das Wachstum in der a-Richtung. Daher wächst erfindungsgemäß eine massive einkristalline Platte aus Korund vorwiegend in Richtung des schnellsten Wachstums. Das Wachstum in den anderen Richtungen findet langsamer statt. Der Einkristall hat also eine größere Länge und Breite als seine Dicke ist. Nach Eig. 2 hat die Platte 15, die der Platte nach Fig. 1 entspricht, eine lange Längsseite 1, die in der a-Richtung verläuft, weil der Kristall aus der Schmelze in einer Richtung hervorgezogen wird, die der a-Achse des Kristalls parallel ist. Diese Orientierung wird hervorgerufen durch Auswahl und Orientierung eines Impfkristalls, an wel- ■ chem die Platte anwächst. Die a-Ebene des Impfkristalls ist senkrecht zu der Zugrichtung. Die G-rundebenen des Impfkristalls verlaufen parallel zum länglichen Gebiet der Schmelze, innerhalb dessen die Temperatur niedriger gehalten wird. Der auf diese Art herausgezogene Kristall hat eine Längs ausdehnung in dem a-Richtung, der Richtung des schnellstens Wachstums. Seine Breite verläuft in der m-Richtung, wo das Wachstum weniger schnell ist. Seine Dicke verläuft in der c-Richtung, wo das Wachstum am langsamsten ist. Unter diesen Bedingungen bilden die breiten Seiten des Kristalls glatte Oberflächen auf jeder Seite, und die Platte hat flache Seitenflächen, aus welchen

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Scheiten oder andere Gegenstände geschnitten werden können. Die Pfeile über der Kristallplatte nach Fig. 1 zeigen die Orientierung des gewachsenen Kristalls. Die a-Richtung ist die Richtung des Zuges. Die m-Richtung ist parallel der Breite des Körpers. Die c-Richtung verläuft senkrecht zu der Oberfläche der Platte.

Wie schon gesagt, wird die langsame Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalls in der c-Richtung weiter verringert durch die richtige * Orientierung des Impfkristalls in dem Bade. . Durch die Wärmeführung wird das Wachstum in allen Richtungen ,ausgenommen in der Richtung der Dicke,beschleunigt, so daß lange *md breite, aber verhältnismäßig dünne Platten erhalten werden. Auf der Oberfläche der Schmelze wird ein längliches schmales Gebiet geschaffen, dessen Temperatur so geregelt wird, daß die niedrigere Temperatur, bei welcher der Kristallwachstum stattfindet, in der Längsachse des Gebietes vorhanden ist, daß aber höhere Temperaturen, bei welchen kein Wachstum stattfindet, entlang den Seiten und den Enden dieses Gebietes vorhanden sind. Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen die Vorrichtung für die Schmelze und die Anordnungen, um die ausgewählten Wachstumsbedingungen aufrechtzuerhalten.

Die Mg. 3 zeigt einen Tiegel 16 aus einem gegen hohe Temperaturen beständigen und die Schmelze nicht verunreinigenden Material wie Iridium. Der Tiegel hat einen rechtwinkligen Querschnitt, der größer ist als der Querschnitt der in ihm herzustellenden Platte.

Der rechtwinklige Tiegel sitzt innerhalb einer kastenähnlichen Struktur 17 aus isolierendem Material. Diese Isolierung kann beispielsweise aus einer äußeren Umhüllung 18 aus vier Platten eines 'gegen hohe Temperaturen isolierenden Stoffes bestehen, z.B. aus

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Platten von geschmolzenem Siliciumdioxid, die wie abgebildet aneinander passen. Eine innere Umhüllung 19 besteht aus vier weiteren Platten eines bei hoher T_emperatur isolierenden Materials, vorzugsweise Zirkondioxyd. Gekörntes hitzebeständiges Material, z,B. eine Schamotte 2o aus Zirkondioxyd ,ist in den Zwischenraum zwischen der inneren und äußeren Umhüllung eingepackt. Das ganze ruht auf einer Grundplatte 21 aus geschmolzenem Siliciumdioxyd und hat eine Schicht 22 von Schamotte aus Zirkondioxyd am Boden des so gebildeten Kastens. Der Tiegel ruht auf dieser Schicht von Schamotte und ist umgeben von den isolierenden Wandungen.

Eine Induktions-Spule 23 zum Heizen ist um die Isolierung herum in Form einer V/end el mit viereckigem Querschnitt angeordnet. Durch den elektrischen Strom durch die Spule hindurch entsteht ein Stromfluß im Iridiumtiegel, der den tiegel auf eine hohe Temperatur aufheizt. Die Wärme wird durch Leitung von den Tiegelwandungen zu der Charge der S_chmelze im Tiegel weitergeleitet. Durch Verwendung eines rechtwinkligen Tiegels und einer rechtwinkligen Heizspule wird ein gleichmäßiges Erhitzen der Schmelze im Tiegel erreicht. Das ist notwendig, um ein gleichmäßiges Kristallwachstum zu erreichen.

Die Fig. 4 zeigt den Tiegel 16 ohne isolierende Umhüllung und ohne Heizspule. Der Deckel 24 befindet sieh auf dem !Hegel, Der Deckel hat eine mittige rechtwinklige Öffnung 25, durch welche ein Teil der Oberfläche der Schmelze 26 sichtbar ist. Die Länge und Breite der Öffnung im Tiegeldeckel ist größer als die Länge und Breite des hervorzuziehenden Kristalls. Die Öffnung muß aber so breit sein, daß der Kristall bequem aus der Schmelze, hervorgehoben werden kann. TJm die Kanten der Öffnung verläuft

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ein Leitraigssys±hem 27, wobei die offenen Seiten der Leitungen nach- der Oberfläche der Schmelze gerichtet sind. Die Leitungen können aus Halbzylindern aus Iridium bestehen, von denen eine Kante 28 mit der oberen Oberfläche des Deckels etwa um eine ha'lbe !Länge zurück von der Kante 25 der Öffnung verschweißt ist. ' Die andere Kante 29 der Halbzylinder hängt über die Kante der Deckelöffnung herüber, und bedeckt damit teilweise den Raum über der Schmelze. Die Schenkel der Leitungen sind verbunden an zwei diagonal einander gegenüberliegenden Punkten 3o und 31. Die " Schenkel 32 und 33 bilden daher eine zusammenhängende Leitung und die Schenkel 34 und 35 bilden eine andere gesonderte zusammenhängende Leitung. Mit der Leitung 34 verbunden ist ein Rohr 36, das in Zusammenhang steht mit dem Inneren der Leitung 34 und 35- Ein Rohr 37 ist verbunden mit der Leitung 32 und steht in Zusammenhang mit dem Inneren der Leitungen 32 und 33. Wenn man an diese Rohre 36 und 37 einen Saugzug ansetzt, werden Grase aus dem Raum über der Oberfläche der Schmelze abgezogen. Zusätzliches Gas strömt in den Tiegel durch die Öflhung in dem Deckel, strömt über den mittleren Teil der Oberfläche der Schmelze 26 und wird dann durch die Rohre abgezogen. Die Fig. 5~zeigt deutlich, -wie die Lätiingen sich über die Kante der Deckelöffnung > erstrecken und damit eine Öffnung "bilden, die gerade noch größer ist als die Breite des herauszuziehenden Kristalls to.

Beim Betriebe ordnet man den Tiegel in der isolierenden Struktur und innerhalb der Heizspule an. In den Tiegel tut man das feste Kristalle bildende Material, z.B. gewachsene nach den Verfateren von Verneuil erhaltene Kristalle aus Aluminiumoxyd oder Aluminiumoxydpulver. Beim Anstellen des Stromes werden die Spulen erhitzt und die Charge wird in dem Tiegel niedergeschmolzen. Wenn die Schmelze hergestellt ist, so bestehen innerhalb des Systems

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die nachstellenden thermischen Bdingungen: Wärme wird zugeführt von den Seiten des Tiegels. Die Isolierung um den Tiegel "begrenzt die Wäfmeverluste außer an der Oberfläche, wo Wärme aus der Schmelze durch die Deckelöffnung abgestrahlt wird. Das geschmolzene Material strömt also senkrecht entlang den Seitenwandungen des Tiegels bis zur Oberfläche herauf und dann waagerecht über die Oberfläche der Schmelze. Die Fig. 4 zeigt die Oberfläche 26 der Schmelze, wie sie durch die Deckelöffnung 16 zu sehen ist. Die waagerechte Strömung der Schmelze, die durch Pfeile dargestellt ist, findet unter dem überhängenden Deckel und den Leitungen statt. Wesentliche Wärme geht hierbei nicht verloren, da die nach oben abgestrahlte Wärme von der Oberfläche der Schmelze zurück auf die Oberfläche von der Unterseite des Deckels reflektiert wird. Wenn aber der waagerechte Strom der Schmelze in das mittige rechtwinklige Gebiet unter der Deckelöffnung gelangt, so gibt er sofort durch Strahlung Wärme ab und seine Temperatur sinkt. Wegen der symmetrischen Anordnung der Isolierung und der symmetrischen Heizspulen um den rechtwinkligen Tiegel und wegen der rechtwinkligen Öffnung des Deckels, entsteht ein längliches Gebiet oder eine Linie 38 minimaler Temperatur in der Mitte der Oberfläche der Schmelze, parallel zu den Längsseiten der Öffnung und an jedem Ende innerhalb der rechtwinkligen Öffnungenden, weil die Wärmereflektion von dem Deckel und den Leitungen 32 und 34 dort endet. In diesem mittleren länglichen Gebiet 38 sinkt das abgekühlte Material der Schmelze gegen den Boden des Tiegels hin, wo es erneut von den Wandungen des Tiegels aufgeheizt wird und wieder nach oben in der beschriebenen Art strömt. Entlang dieser Linie 38 der minimalen Temperatur in der Schmalze bestehen die Bedingungen für das Kristallwachstum durch eine richtige Regelung der Wärmezufuhr zu dem System. Es besteht also entlang der

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Linie 38 eine unterkühlte Region, wo der Kristall wachsen kann. Rechts und links von dieser Linie hat die Schmelze eine höhere T_emperatur wegen der Rückstrahlung der Wärme von dem Deckel und den Leitungen, und dort wird das Kristallwachstum nicht gefördert. Ebenso kann auch in den Gebieten jenseits der Enden des länglichen Gebietes, die ebenfalls- bei höherer Temperatur sind, ein Kristallwachstum nicht stattfinden.

Die Form und der Umfang dieses länglichen Gebietes werden weiter geregt durch einen Strom von Kühlgas, der durch Ansaugen in den Leitungen 32, 33, 34 und 35 und in den Rcaren 36 und 37 entsteht. Dieser Gasstrom führt Wärme hauptsächlich vom mittleren Teil der Schmelze ab und ermöglicht damit eine Temperaturregelung innerhalb des länglichen Gebietes 38. Bei Verstärkung des Saugzuges wird mehr Gas über die Oberfläche der Schmelze geleitet, die '.temperatur dort wird weiter herabgesetzt.

Beim Betriebe stellt man innerhalb der Schmelze eine Temperatur von etwa 2o5o°ö her. Das Gebiet an der Oberfläche der Schmelze entlang der Linie 38 hält man auf etwa 2o3o°. Dort taucht man den Impfkristall ein. Der Impfkristall kann ein stabförmiger Einkristall mit einer Dicke von etwa 3 mm sein, wobei die c-Achse des Impfkristalls senkrecht zu der Linie 38. verlauft. Die a-Hichtung des Impfkristalls verläuft in die Schmelze, und die m-Richtung verläuft entlang der Linie 38. Der. Kristall wächst schnell in der m-Richtung, da dort ein unterkühltes Gebiet besteht. Weniger schnell wächst der Kristall in der c-Richtung, da er die Grenzen des unterkühlten Gebietes entlang der Linie 38 bald überschreitet und in ein Gebiet höherer Temperatur gelangt, wo ein Kristallwachstum nicht stattfindet. Die Breite

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des Kristalls nimmt deshalb schneller zu als eine Dicke. Beim Wachsen wird der Kristall in der a-B±chtung aus der Schmelze hervorgezogen, bis ein Körper der gewünschten Breite und Länge erhalten ist.

Beim Wachstum des Kristalls wird die latente Kristallisationswärme absorbiert von der Schmelze und die Temperatur der Flüssigkeit an der Oberfläche des Kristalls steigt daher,, weshall) das Kristallwachstum zum Beenden neigt. Deshalb muß die Wärmezufuhr von den Heizspulen verringert werden. Man verringert den Stromfluß durch die Heizspule allmählich während des Wachstums des Kristalls, um die erforderlichen Bedingungen aufrechtzuerhalten. Am besten sollte der Kristall mit einer mehr oder weniger gleichförmigen Geschwindigkeit hervorgezogen werden. Eine Ziehgeschwindigkeit von etwa 6 mm je Stunde ist gut geeignet.

Beim Beginn des Kristallwachstums entsteht derjenige Teil der Platte, der in Pig. 1 mit Li bezeichnet ist. Der Kristall erlangt ssine gewünschte Breite durch stunfenweise Herabsetzung der Wärmezufuhr. Größere Zunahmen der Breite sind mit verhältnismäßig kleinen Zunahmen der Dicke verbunden. Wenn stufenweise der obere Teil des Kristalls unter Erreichung der maximalen Breite W gewachsen ist, so sollte die Dicke nicht größer sein als die maximale Dicke T, die ein Herausziehen durch die Deckelöffnung gestattet.

Wenn der Kristall seine maximale Breite erreicht hat, so beginnt das Wachstum des in Pig. 1 mit Le bezeichneten Teiles. Hierbei findet ein erheblicher Wärmeverlust aus der Schmelze statt, da strahlende Energie von dem durchsichtigen Kristall abströmt. Es

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befindet sich, aber eine geringere Menge des geschmolzenen Materials im Tiegel und eine erhöhte Wärmestrahlung von den Tiegelwandungen findet statt, weshalb die Stromzufuhr zu den Heizspulen weiter herabgesetzt werden muß. Das geschieht allmählich» so daß ein schnelles Wachsen des Kristalls in der a-Richtung gefördert wird. Das längliche Gebiet 38 des Kristallwachstums ändert sich nicht, so daß während dieser Phase der Herstellung auch die Dicke und Breite der Platte sich nicht ändern.

D ie Herabsetzung der Stromzufuhr hängt ab von den Abmessungen des Tiegels und des Kristalls und kann durch Versuche festgestellt werden. Nach einer einmaligen Bestimmung für ein bestimmtes System können die Änderungen programmiert werden», so daß das Ganze unbeaufsichtigt laufen kann. Man kann aber auch die Beobachtung und Regelung visuell durchführen.

In der letzten Phase des Betriebes, wobei der in der Mg. 1 mit Lf bezeichnete Teil entsteht, ist die Menge der Schmelze wesentlich erschöpft. Die Stromzufuhr zu den Heizspulen kann erheblich herabgesetzt und dann ganz abgeschaltet werden. Der Kristall wächst schnell und stufenweise, bis er den Boden des Tiegels berührt.

Bei dem Verfahren kann man anstelle eines kleinen Impfkristalls, der zu einer größeren Breite anwächst, auch einen langen und schmalen Impfkristall verwenden, beispielsweise einen Impfkristall der in Fig. 5 dargestellten Form39. Seine a-Achse verläuft senkrecht zu seiner Längsseite und die m-Achse senkrecht zu der Längsseite. Dieser Impfkristall wird längsweise in das längliche Gebiet der Schmelze eingetaucht. Es findet gleich ein schnelles Wachstum in der a-Richtung statt, wenn die Wärmezufuhr und die

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3aiiggese3awiüdigkeit richtig geregelt werden. Man erhält auf diese Art eine kristalline Platte maximaler Breite, ohne daß ein zugespitztes oberes Ende 4o_s das mit Li "bezeichnet ist_s entsteht«,

Die Kristallplatte hat nach Fig. 1 waagerechte Linien 41, die Wachstumslinien sind. Unter Wachsturnslinien sollen hierbei optische Inhomogenitäten verstanden werden, die an der Wachstumsfläche durch leichte Änderungen der Wachstumsgeeohwindigkeiten we-

v gen Änderungen der Temperatur der Schmelze oder der Geschwindigkeit des Herausziehens entstehen. Auch Verunreinigungen können solche Wachstumslinien bewirken, ebenso wie Spannungen im Kristallgitter oder Blasen, oder Änderungen der Wachstumsbedingungen. Durch geeignete Regelung des Verfahrens können solche Wachstumslinien bei einem Minimum gehalten werden. Etwa entstehende Wachsturnslinien haben aber eine im wesentlichen waagerechte Achse, wie die Mg. 1 es zeigt. Scheiben, die aus solchen gewachsenen Körpern geschnitten, haben ebenfalls Wachstumslinien senkrecht zu der a-Achse des Körpers. Ebenso kann die Platte 1o gewisse andere Winkelorientierungen 57 auf ihrer Oberfläche haben. Solche wulstähnlichen. Stränge können durch Polieren entfernt

^ werden, und es entsteht hierbei eine Oberfläche von hoher op±ischer Qualität. Diese Erscheinungen treten auf durch nicht gleichmäßige thermische Gradienten und können begrenzt werden durcfysorgfältige Regelung der Heizung.

Die Fig. 6 zeigt eine gesamte Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Auf einem Tisch 42 steht eine Glasglocke 43. In dieser steht als Träger ein zylindrischer Abschnitt 44 mit verschiedenen an den Seiten ausgeschnittenen Öffnungen 45. Die kastenförmige Struktur 46 mit der Isolierung, dem Tiegel und dem Deckel ist auf dem Träger beffstigt. Die Heizspule 47 umgibt

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die Isolierung. Ihre Enden 48 und 49 führen durch isolierte Löcbsr in den Tisch 42 zu einer KraftquBlle 5o. Die Saugrohre 36 und 37 vom Tiegeldeckel sind verbunden mit den Leitungen 51 und 52 die zu Gaspumpen führen. Spülgas, vorzugsweise Stickstoff mit einem kleinen Gehalt von Sauerstoff, wird durch eine Leitung 53 eingeführt, die sich unter dem Zylinder 44 öffnet. Das Spülgas strömt durch die Öffnungen 45 in die Glasglocke, wo es über dem Tiegel in die Saugleitungen hineingezogen wird, den mittleren Teil der Schmelze kühlt und ein Gebiet für das Wachsen % des Kristalls aufrecht erhält. Überschüssiges Spülgas entweicht durctyüie Öffnung 54 im oberen Teil der Glasglocke. Der Stab 55 des Impfkristalls erstreckt sich ebenfalls durch diese Öffnung hindurch bis zur Schmelze. Man sieht einen Teil der gewachsenen Platte 56, die aus. der Schmelze herausgezogen wird.

Unter Verwendung der beschriebenen Anlage und des beschriebenen Verfahrens wurde eine sinkristalline Platte aus Korund herausgezogen, welche die in Fig. 1 gezeigte Form hatte. Die Platte hatte eine Länge von etwa 15 cm, eine Breite von etwa 8,5 cm und eine maximale Dicke von etwa 1,3 cm. Die Platte wurde herausgezogen aus einem rechtwinkligen Tiegel mit einer Tiefe von etwa 7,5 cm und einer oben befindlichen Öffnung von 12,5 x 3,5 cm. Der Tiegeldeckel hatte eine rechtwinklige Öffnung von etwa 1o χ 2,5 cm. Das Leitungssystem ragte über die Kante der Deckelöffnung um etwa 3 mm hinüber, so daß die Öffnung etwa 9,5 χ 1,9 cm groß war, durch welche die 8,5 cm breite und 1,3 cm dicke Tafel hervorgezoben wurde. Kristalle größerer Abmessungen können gewonnen werden bei Vergrößerung der Abmessungen des Tiegels und der rechtwinkligen Öffnung im Deckel.

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Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung können auch angewendet werden zur Gewinnung anderer Kristalle, bei welchen die Wachstumsgeschwindigkeit in einer Richtung größer ist als in der anderen.

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Claims (1)

1. Patentansprüche s

   ο Plattenförmiger, länglicher Einkristall aus Korund (^ niumoxyd) mit im wesentlichen gleichmäßiger Dicke, dessen Längsachse parallel zu der a-Achse des Kristalls verläuft, dessen Seitenflächen praktisch parallel zu den G-rundebenen verlaufen, und "bei welchem etwaige Wachs turns linien im wesentlichen in einer Ebene senkrecht zu der a-Achse verlaufen.

   2. Aus einem Einkristall nach Anspruch 1 geschnittene durchsichtige Scheibe, deren Oberflächen parallel zu den G-rundebenen des Kristalls verlaufen,

   3. Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man auf der Oberfläche einer den Kristall bildenden Schmelze ein längliches Gebiet bei einer für das Kristallwachstum geeigneten Temperatur hält, die dieses G-ebiet umgebenden Gebiete bei einer höheren, das Kristallwachstum nicht fördernden Temperafcr hält, daß man in das längliche Gebiet einen Impfkristall eintaucht und ihn so orientiert, daß die Richtung schnellsten Kristallwachstums senkrecht in die Schmelze verläuft und daß die Ebenen des langsameren Kristallwachstums parallel zu dem länglichen G-ebiet verlaufen, und daß man während des Kristallwachstums den Impfkristall und die an ihm anwachsende Platte langsam senkrecht aus der Schmelze herauszieht.

   4. Verfahren nach Anspruch 3, daudrch gekennzeichnet, daß man den Impfkristall mit seiner a-Achse parallel zur Zugrichtung und seine G-rundebenen parallel zum länglichen G-ebiet anordnet.

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   5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

   daß man die Schmelze im wesentlichen von ihrer Seite aus auf-' ■ heizt und 'Wärme im wesentlichen nur aus dem länglichen Gebiet der Oberfläche entweichen läßt.

   6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet^ daß man über den mittleren Teil der Oberfläche der Schmelze ein kühlendes Gas leitet.

   7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man als Impfkristall einen stabförmigen Einkristall aus Korund verwendet, dessen a-Achse parallel zu der Längsachse des Stabes und senkrecht zur Längsachse des länglichen Gebiets auf der Oberfläche der Schmelze verläuft.

   8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Impfkristall verwendet, dessen Länge nicht größer ist als die Länge des länglich®. Gebietes auf der Oberfläche der Schmelze, und dessen Grundebenen parallel zu der Längsachse des länglichen Gebietes auf der Oberfläche der Schmelze verlaufen.

   9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 3 bis 8, gekennzeichnet durch einen Schmelztiegel viereckigen Querschnitts, eine symmetrisch um den Schmelztiegel angeordnete Induktions-Heizspule von viereckigem Querschnitt um den Tiegel herum, einen Deckel auf dem Tiegel, eine mittig im Tiegeldeckel angeordnete viereckige Öffnung, deren Längsachse parallel zur Längsachse des Tiegels verläuft, um die Kanten der Öffnung herum angeordnete Leitungen zum Abziehen von Gasen aus dem Tiegel, und Mittel zum Absaugen von Gasen durchlese Leitungen.

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   1o. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß den Wandungen und dem Boden des Schmelztiegels Wärmeisolierungen außen anliegen.

   11. Vorrichtung nach Anspruch 1o, gekennzeichnet durch Packungen von teilchenförmigen Isoliermaterial außen an den Wandungen und am Boden des Tiegels, die von Platten aus wärmeisolierendem Material innen und außen umgeben sind. j

   12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Platten aus geschmolzenem Siliciumdioxyd und die inneren Platten und die Packung aus Zirkondioxyd "bestehen.

   13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die um die Kanten des Deckelöffnung herum angeordneten Leitungen einen halbkreisförmigen Querschnitt haben, wobei ihre eine Kante mit der Oberfläche des Deckels verschweißt ist, die andere Kante über die Öffnung im Deckel nach innen hineinragt, und wobei an diagonal gegenüberliegenden Ecken die Leitungen miteinander verbunden sind und an jeder dieser Ecken eine Ableitung für Gase vorgesehen ist. |

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