DE1935372C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Ziehen eines kristallinen Körpers vorbestimmten Querschnitts aus einer Schmelze - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ziehen eines kristallinen Körpers vorbestimmten Querschnitts aus einer Schmelze eines kongruent schmelzenden, in fester Form kristallinen Materials, unter Verwendung eines aus einem durch die Schmelze benetzbaren Material bestehenden Formgebungsteils, das wenigstens einen kapillaren Durchlaß zur Zufuhr der Schmelze aus einer am unteren Ende der Kapillaren befindlichen Vorratsschmel/c zu^inei Ziehzone an der oberen Öffnung der Kapillare aufweist, aus der der Körper gezogen wird.

Es ist bekannt, daß zahlreiche bei hohen Temperaturen schmelzbare, feste Materialien dann, wenn sie in die Form langgestreckter kristalliner Körper gebracht werden, Eigenschaften aufweisen, die diese Materialien je nach der Natur und der Gestalt solcher Körper zur Verwendung auf den verschiedensten Anwendungsgebieten geeignet machen. Solche langgestreckten Einkristalle oder im wesentlichen monokristalline Körper aus bestimmten Stoffen, z.B. aus (/-Aluminiumoxid können als Verstärkungselemente für Matrixlegierungen aus Metall verwendet werden, so daß man zusammengesetzte Materialien erhält, die z. B. verwendet werden können, um Bauteile für Gasturbinentriebwerke, andere Turbinen usw. herzustellen, oder die man als Unterlage für epitaktisch gezüchtete integrierte Schaltungen sowie als optisch wirksame Bauteile verwenden kann.

Aus den deutschen Patentschriften 1 286 510 und 1289 519 sind Verfahren zur Herstellung bandförmiger Silizium- oder Germanium-Halbleitcrkörper durch Ziehen aus der Schmelze bekannt, wobei unmittelbar aus der Oberfläche der Vorratsschmclze durch eine Öffnung in einer auf der Schmelzoberfläche schwimmenden Blendenplatte hindurch gezogen wird. Die Form der Blendenöffnung bestimmt hierbei bis zu einem gewissen Grad die Bandform

des gezogenen KristaltkörpL'rs, wobei jedoch erforderlich ist, daß die Erstarrung beim Zi eh Vorgang von den schmalseitigen Enden der rechteckigen Blendenöffnung her beginnt. Um di^ü zu gewährleisten, sind komplizierte Kühl- und Heizvorrichtungen zur lokalisierten Kühlung und Erhitzung bestimmter Bereiche der Ziehzone erforderlich. Anderweitige Querschnittsformen außer der Rechteck bandform werden dabei nicht erhalten. Das Ziehen unmittelbar aus der Oberfläche der Vorratsschmclze durch eine auf dieser Oberfläche schwimmende Blendenplatte hat eine Reihe von Nachteilen: Die Schwimmerplatte rr-uß gegen Verkippung durch eine entsprechende vertikale Geradfühung gesichert werden. Die unmittelbar an der Oberfläche der Vorratsschmelze gelegene Ziehzone ist allen aus der Schmelze herrührenden Inhomogenitätsstörfaktoren ungeschützt ausgesetzt, beispielsweise Material- und/oder Temperatur-Konvektionsströmungen. Die SchwimmerpJatte und damit die Ziehzone bewegt sich mit fortschreitendem Verbrauch der Vorratsschmelze mit dem Schflielzenspiegel im Tiegel nach unten.

Bei größeren Tiegclhöhen mit unvermeidlichem Temperaturgradicntcn entlang der Höhe unterliegt die Ziehzone dabei diesen Temperaturänderungen. Dieses bekannte Verfahren ist in der Praxis auf absatzweises Ziehen beschränkt, da die Nachfiillung der Schmelze mit festem Kristallmatcrial wegen der hierdurch bedingten groben Inhomogenitäten in der Schmelze und deren ungehinderter Auswirkung auf die Ziehzone praktisch nicht in Frage kommt.

Aus der schweizerischen Patentschrift W-) 744 ist ein Verfahren zum Ziehen von Einkristallen aus einer Schmelze bekannt, hei dem auf die Schmelze Druck ausgeübt wird, um sie in einen verengten Durchlaß zu pressen, in den ein Impfkristall eintaucht und aus dem der Einkristall gezogen wird. Die Querschnittsfoim des Einkristalls bestimmt die Duichlaßöffnuni·.

Aus der deutschen Auslegeschrift I 141 ¹H7 ist ferner ein Verfahren zum Ziehen einkristalliner Halblei-(erstäbe bekannt, bei dem die Ziehöffnung derart gewählt ist, daß das Halbleitermateria! an einer mittels Kapillardepression unter der den höchsten Oberflächentcilcn der Schmelze gehaltenen Stelle herausgezogen wird. Auch hier wird die Querschnittsform durch die Ziehöffnung bestimmt.

Aus »Soviet Physics — Solid State«, Vol. 8, Nr. 2, Februar 1966, S. 44⁽), 45», ist ein Verfahren zum Ziehen eines streifen- bzw. bandförmigen Gcrmaniiimkristallmaterials bekannt, bei welchem in dem eine Gcrmaniumschmelze enthaltenden Schmelztiegel zwei mit Längsnuten versehene Woll'ramstübe parallel zueinander vertikal aufrechtstchcnd so angeordnet sind, daß sie mit ihren Enden etwa 5 mm über den Schmclzenspicgcl hinausragen. Ein Ziehkeim in Form einer Platte aus einem durch die Schmelze benetzbarem Materi.il wird von oben in die Nuten der beiden seitlichen Begrenzung definierenden Wolframstäbc eingeführt und bis auf die Schmelze herabgelassen. Durch anschließendes Ziehen wird aus der Schiffe oin vertikaler Schmelzenfilm hochgezogen, dessen Breite seitlich durch die Wolframstäbe begrenzt wird. Bei diesem bekannten Verfahren wird somit ebenfalls direkt aus der Oberfläche der Hauptschmelze gezogen; der zwischen den beiden Wolframstäben ausgespannte vertikale Schmelzenfilm erhebt sich unmittelbar aus der Oberfläche der Hauptschmelze und steht mit dieser über feinen gesamtei Querschnitt in direkter \ Lihinduiii;. Abgesehen davon, daß diese bekannte Anonlnung nur die Herstellung von streifen- bzw. band förmigem Material gestattet, ist hierbei die Ziehzoiic unmittelbar der Beeinträchtigung durch unvermeidbare Temperatur- und'oder Zusammensetzungsschwankungen in der Hauptschmelze ausgesetzt, insbesondere bei kontinuierlicher Ausführung des Verfahrens mit laufender Materialzugabe in den ίο Schmelztiegel.

Die belgische Patentschrift 715 81** schließlich beschreibt ein Verfahren zum /iclieu eines mono· kristallinen Fadens aus einer Schmelz«.·, wobei durch Kapillarwirkung eine Säule der Schmelze erzeugt wird und aus dem oberen Ende der Säule du·- kristalline Material gezogen wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aulgalx; zugrunde, ein Verfahren zum Ziehen fester kristalliner Körper anzugeben, das es gestattet, langgestreckte *° Körper beliebiger Querschnittsform mit glatter Oberfläche zu ziehen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Formgebungsieil verwendet »5 wird, das eine horizontale obere Endoberfläche aufweist, die durch sich nach unten erstreckende Kantenfläche(n) begrenzt und im wesentlichen der vorbestimmten Querschnittsfläche gleich ist, so daß sich darauf bis hin zu den Kanten ein Schmclzfilm bildet. aus dem der kristalline Körper gezogen wird.

Ferner schlägt die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vor mit einem Tiegel zum Aufnehmen eines Vorrats des Materials, einer Vorrichtung /ur Erhitzung des Tiegels, um das Material zu schmelzen und die Schmelze auf einer den Schmelzpunkt des Materials überschreitenden Temperatur /u halten, einem in dem Tiegel angeordneten Formgebungsteil aus durch die Schmelze Ικ-net/barein Material, das mindestens einen kapillaren Durchlaß aufweist, um Schmelze aus dem Tiegel hinauf zur Ziehzone an der oberen Öffnung der Kapillare zu befördern, einer Vorrichtung zum Festhalten eines Kristallkeims, auf dem der kristalline Körper aufwächst und Vorrichtungen zum Einstellen und Bewegen dieses Kristallkcimhalters, so daß der kristalline Körper auf dem Kristallkeim durch die Verfestigung der Schmelze, aus der der Schmelzfilm besteht, aufwächst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das Formgebungsteil eine horizontale obere Endoberfläche aufweist, die durch eine oder mehrere sich nach unten erstreckende Kantenflächen begrenzt ist und im wesentlichen gleich der vorgegebenen Querschnittsfläche ist.

Indem nach dem Grundgedanken der Erfindung das Ziehen nicht aus der Oberfläche der Hauptschmelze erfolgt, sondern aus einem von der Hauptschmclze räumlich und thermisch weitgehend getrennten, mit dieser nur über einen vollständig in dem Formgeburigsteil verlaufenden Kapillarkanal verbundenen, im wesentlichen horizontalen dünnen Schmelzfilm auf der Stirnfläche des Formgebungsteils erfolgt, erhält man ein Ziehverfahren, das hinsichtlich der Vielfalt von einfach und genau herstelioaren Querschnittskonfigurationen, hinsichtlich der Vollkontinuität im Sinn grundsätzlicher zeitlicher Unbegrenztheit, hoher räumlich-geometrischer und kristall-struktureller Qualität der Erzeugnisse bei großer Einfachheit der Verfahrensdurchführung und

geringem apparativem Aufwand den bekannten Verfahren überlegen ist. Durch die räumliche und thermische Trennung der Ziehzonc von der Hauptsthinclzc bleib! der Zichvorgang durch unvermeidliche Material- und WärmekonvcktionsMtömungen in der Hauptschmelze weitgehend unbeeiniiächtigt; das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich damit insbesondere auch zur Ausgestaltung ;ils Vielfach-Ziehverfahren, bei welchem in einer Zichanordnung mit einem gemeinsamen Schmelztiegel gleichzeitig eine größere Anzahl von ZicliMcllcn mit zugeordneten Ziehapparaturen zusammenwirken; durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird hierbei eine (unterschiedliche) störende Beeinflussung der einzelnen Ziehslelleii durch die Hauptschmelzc bzw. gegenseitige Störung der einzelnen Ziehstcllen untereinander, vermieden, wie sie ansonsten bei den bekannten Verfahren mit Ziehen direkt aus der Oberfläche der Hauptschmclze (durch Schwimmerblenden oder über einen vertikalen Schmelzefilm) unvermeidlich sind.

Fig. 1 zeigt teilweise in einer Seitenansicht und teilweise in einem verkürzten Längsschnitt eine Ausführungsform eines zur Durchführung des crfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Ofens.

Fig. 2 ist ein senkrechter Schnitt durch eine einen Tiegel und ein Formgebungsteil umfassende Anordnung zum Züchten runder endloser Fäden.

Fig. 3 veranschaulicht das Züchten eines Fadens in einer vergrößerten Teildarstellung.

Fig. 4 zeigt in einer Stirnansicht ein anderes zum Züchten runder Fäden geeignetes Formgebungsteil.

Fig. 5 ähnelt Fig. 2, zeigt jedoch eine Anordnung zum Züchten von Fäden von dreieckiger Querschnittsform.

Fig. 5 A zeigt das Formgebungsteil der Anordnung nach Fig. 5 im Grundriß.

Fig. 6 veranschaulicht in einer vergrößerten perspektivischen Teildarstellung das Züchten eines flachen Bandes unter Benutzung einer besonderen Ausführungsform eines Formgebungsteils.

Fig. 7 zeigt perspektivisch das obere linde einei anderen Ausführungsform eines Formgebungsreüs zum Züchten eines flachen Bandes.

Fig. 8 und 8 A zeigen im Längsschnitt bzw. im Grundriß ein Formgebungsteil zum Züchten rohrförmiger Körper.

Zwar bezieht sich die folgende Beschreibung auf die Züchtung langgestreckter kristalliner Körper aus n-Aluminiumoxid, Bariumtitanat. Lithiumniohat und Yttrium-Aluminiumoxid-Granat, das beanspruchte Verfahren bezieht sich jedoch allgemein auf kongruent schmelzendes Material, das also bei einer bestimmten Temperatur schmilzt und eine Schmelze der gleichen Zusammensetzung bildet. Ferner sei bemerkt, daß es beim Züchten von «-Aluminiumoxid und anderen Materialien entsprechenden Kristallgefüges vorzuziehen, jedoch nicht unbedingt erforderlich ist, den Keimkristall so anzuordnen, daß sich seine C-Achse [0001] im rechten Winkel zu der waagerechten Fläche des Formgebungsteils und parallel zur Bewegungsachse des Keimkristallhalters erstreckt, so daß das Kristallwachstum längs der C-Achse verläuft.

Da die Querschnittsform des Erzeugnisses durch die geometrischen Grundrißverhältnisse bestimmt ist, die durch die Begrenzungskanten der im wesentlichen waagerechten Fläche festgelegt sind, auf denen der Film aus der Schmelze erzeugt wird, soll die bzw. jede in der Längsrichtung dal an angrenzende I-'lache de Formgehungsteils mit der waagerechten Flüche untc einem solchen Winkel zusammentreffen, daß die Be grenzungskanten scharf ausgeprägt sind: vor/ugswcisi] beträgt dieser Winke! etwa W . Die Tatsache, dal scharfe Begrenzungskanten vorhanden sind, gewähr leistet nicht nur, daß der Film durch die ()hcrf lachen spannung daran gehindert wird, von der waagcrechtci Fläche längs der Seitenflächen des Formgebungsteil·

ίο abzulaufen, sondern diese scharfen Begrenzungskan ten tragen auch dazu bei, das Gefüge der bzw. jede sich in der Längsrichtung des Erzeugnisses erstrek kenden Fläche zu beeinflussen bzw. zu regeln. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß das Erzeugni« durch eine Oberftächcnglättc gekennzeichnet ist. die besser ist als diejenige der Begiciis.ungskanten de ι waagerechten Fläche des Formgebungsteils. Es wire angenommen, daß dies auf die Oberflächenspannung zurückzuführen ist, doch könnte es seine Ursache aucl

ao mindestens teilweise in einer Oberflächcndiffusioi von Atomen haben, die eintritt, wenn der wachsende Kristall aus dem aus der Schmelze bestehenden Film herausgezogen wird. Ferner wurde festgestellt, daß das Oberflächengefüge des Erzeugnisses nicht in ci-

»5 nem erheblichen Ausmaß durch die Glätte der waagerechten Fläche des Formgebungsteils beeinflußt wird Zwar soll die waagerechte Fläche vorzugsweise relativ glatt sein, doch braucht sie nicht optisch glatt zu sein Die den Film tragende waagerechte Fläche des Forrngebungsteils braucht auch nicht genau waagerech oder flach bzw. eben zu sein. Beispielsweise kann die Fläche leicht konkav oder konvex gekrümmt sein. J weniger waagerecht und eben die den Film tragende Fläche des Formgebungsteils ist, desto weniger leicht ist es jedoch, einen Körper mit dem gewünschten Querschnitt zu züchten, und desto mehr besteht die Gefahr, daß der Wachstumsprozeß durch die Temperatur der Schmelze und die Ziehgeschwindigkeil beeinflußt wird. Es sei bemerkt, daß sich die zulässige Abweichung der den Film tragenden Fläche von einer ebenen Gestalt und die zulässige Abweichung von ih rer waagerechten Lage nach der Oberflächenspannung des Films richten und daher in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Materials variieren kann, au dem die Schmelze besteht.

Wie schon erwähnt, wird die Kapillarwirkung dazu ausgenutzt, geschmolzenes Material aus der Vorratsmenge kontinuierlich der den Film tragenden Fläche des Formgebungsteils zuzuführen, um den Teil der Schmelze zu ersetzen^ der I>ei der Züchtung des Erzeugnisses aus dem Film verbraucht wird. Diese Kapillarwirkung ist eine inverse Funktion des Durch messers des Öffnungs- und Kapillarrohrs des Formgebungsteils. Wenn die Oberflächenenergie des gcschmolzenen Materials bekannt ist, ist es möglich, die Strecke, längs deren eine Säule aus dem geschmolze nen Material durch die Kapillarwirkung in einem gegebenen runden Kapillarrohr oberhalb der Oberfläche der Vorratsmenge der Schmelze in dem Tiege nach oben steigen kann, mit Hilfe der Gleichung

/i = 2 T/drg

zu berechnen; in dieser Gleichung bezeichnet h die in Zentimetern gemessene Strecke, längs deren die Säule hochsteigt. T die Oberflächenspannung in Dyn/cm, d die Dichte bzw. das spezifische Gewich des geschmolzenen Materials in g/cm\ r den in Zentimetern gemessenen inneren Radius des Kapill.r ri -J-·<

und £ die Schwerkraftkonstante in cm/s². Bei den Materialien, bei denen die Erfindung anwendbar ist, lassen sich mit Hilfe der Kapillarwirkung relativ lange Säulen erzielen. Beispielsweise kann man erwarten, daß in einem Kapillarrohr mit einem Durchmesser von 0,75 mm eine Säule aus geschmolzenem Aluminiumoxid bis zu einer Höhe von mehr als 11 cm hochsteigt. Wie im folgenden näher erläutert, braucht das Kapillarrohr natürlich nicht rund zu sein und man kann an seiner Stelle sogar einen offenen Schlitz verwenden. In Fig. 1 ist eine Ausführungsform eines zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Ofens dargestellt, der ein senkrecht bewegbares, waagerecht angeordnetes Bett 2 umfaßt, das eine Ofenumschließung trägt, die sich aus zwei konzentrischen, durch einen Abstand getrennten Rohren 4 und 6 aus Quarz zusammensetzt. Am unteren Ende des inneren Rohrs 4 ist in einer Aussparung des Betts 2 ein Dichtungsring 5 mit einem L-förmigen Querschnitt angeordnet. Das Rohr 4 ist von einer in eine Überwurfmutter 10 eingeschraubten Buchse umschlossen, und zwjschen dieser Buchse 8 und der Überwurfmutter 10 sind ein Dichtungsring 12 und eine Abstandsscheibe 13 angeordnet. Der Dichtungsring 12 ist gegen das untere Ende des Rohrs 4 vorgespannt, um eine einwandfreie Abdichtung zu gewährleisten. Das obere Ende der Buchse 8 ist in einem Abstand von dem Rohr 4 so angeordnet; daß es das untere Ende des Rohrs 6 aufnehmen kann, das in seiner Lage durch einen Dichtungsring 14 und eine Abstandsscheibe 15 festgehalten ist, wobei der Dichtungsring durch eine auf das obere Ende der Buchse 8 aufgeschraubte Überwurfmutter 16 gegen das obere Ende der Buchse vorgespannt ist. Die Buchse 8 ist mit einer Einlaßöffnung versehen, in die eine flexible Rohrleitung bzw. ein Schlauch 20 eingebaut ist. Die oberen Enden der Rohre 4 und 6 sind fest in einen Kopf 22 eingebaut, so daß die Rohre ihre Lage beibehalten, wenn das Bett 2 nach unten bewegt wird. Der Kopf 22 besitzt eine Auslaßöffnung, in die ein Ende eines flexiblen Schläuche 24 eingebaut ist. Der Kopf 22 ist mit nicht dargestellten Bauteilen versehen, die tier Buchse 8, den Dichtungsringen 12 und 14 und den Überwurfmuttern 10 und 16 ähneln und dazu dienen, die beiden Rohre an ihren oberen Enden in ihrer konzentrischen Lage zu halten und sie in der beschriebenen Weise abzudichten. Die Schläuche 20 und 24 μ nd an eine nicht dargestellte Pumpe angeschlossen, mittels deren ständig Kühlwasser durch den Ringraum /w ischen den beiden Quarzrohren gefördert wird. Das. Innere der Ofenumschließung ist durch ein Rohr 28 mit einer Vakuumpumpe oder einer geregelten Quelle ium Zuführen eines chemisch neutralen Gases wie Argon cxler Helium verbunden. Ferner ist die Ofenumschließung von einer Hochfrequenzheizspule 30 umschlossen, die an eine nicht dargestellte, auf bekannte Weise ausgebildete Quelle für einen regelbaren Wechselstrom angeschlossen ist, dessen Frequenz 500 kHz beträgt. Die Heizspule 30 kann längs der Ofenumschließung nach oben oder unten bewegt werden, und es ist eine nicht dargestellte Vorrichtung vorgesehen, mittels deren die Heizspule in jeder gewählten Höhenlage unterstützt werden kann. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß das zirkulierende Kühlwasser nicht nur dazu dient, das innere Quarzrohr 4 auf einer gefahrlosen Temperatur zu halten, sondern auch dazu, den größten Teil der Infrarotenergie zu absorbieren, so daß eine Bedienungsperson das Kristallwachstum bequemer beobachten kann.

Der Kopf 22 ermöglicht es, in die Ofenumschließung eine langgestreckte Ziehstange 32 einzuführen, die mit einer nur schematisch dargestellten, auf bekannte Weise ausgebildeten Kristallziehvorrichtung 34 verbunden ist und einen Bestandteil dieser Vorrichtungbildet. Ferner sei bemerkt, daß die Konstruktion der Kristallziehvorrichtung für die Erfindung nicht von kritischer Bedeutung ist, und daß ihre Konstruktion innerhalb weiter Grenzen abgeändert werden kann. Gemäß der Erfindung wird jedoch vorzugsweise eine Kristallziehvorrichtung benutzt, die hydraulisch steuerbar ist, da eine solche Vorrichtung den Vorteil bietet, daß sie schwingungsfrei und mit einer gleichmäßigen Ziehgeschwindigkeit arbeitet. Ohne Rücksicht auf die jeweils verwendete Konstruktion, deren Beschreibung an dieser Stelle sich erübrigen dürfte, sei bemerkt, daß es die Ziehvorrichtung 34 ermöglicht, die Ziehstange 32 mit einer geregelten

ao Geschwindigkeit axial nach oben zu bewegen. Die Ziehstange ist gleichachsig mit den Quarzrohren 4 und 6 angeordnet und trägt an ihrem unteren Ende eine Verlängerung in Form einer Metallstange 36, die einen Halter für einen Kristallkeim 38 bildet.

»5 In der Ofenumschließung ist ein zylindrisches Wärmeaufnahmeteil 40 aus Kohlenstoff angeordnet, das am oberen Ende offen und an seinem unteren Ende durch eine Stirnwand abgeschlossen ist. Dieses Wärmeaufnahmeteil wird von einer auf dem Bett 2 angeordneten Stange 42 aus Wolfram getragen. Im Inneren des Wärmeaufnahmeteils 40 wird durch eine kurze Stange 44 aus Wolfram ein mit strichpunktierten Linien angedeuteter Tiegel 46 zum Aufnehmen einer geeigneten Menge einer Schmelze unterstützt. Der Tiegel besteht aus einem Material, das den in Frage kommenden Betriebstemperaturen standhält, und das mit der Schmelze weder reagiert noch in der Schmelze lösbar ist. Wenn z.B. ein Kristall aus a-Aluminiumoxid gezüchtet werden soll, besteht der Tiegel aus Molybdän, doch könnte er auch aus Iridium oder einem anderen Werkstoff bestehen, der in Verbindung mit geschmolzenem Aluminiumoxid ähnliche Eigenschaften besitzt. Wird ein Tiegel aus Molybdän verwendet, muß der Tiegel in einem Abstand von dem Wärmeaufnahmeteil 40 angeordnet sein, da eine eutektische Reaktion zwischen Kohlenstoff und Molybdän bei etwa 2200° C stattfindet. Die Innenform und die inneren Abmessungen des Tiegels werden auf geeignete Weise gewählt, und der Innendurchmesser des

-50 Tiegels ist vorzugsweise konstant. Um zur Erzielung der bei dem Verfahren erforderlichen hohen Betriebstemperaturen beizutragen, ist eine zylindrische Strahlungsabschirmung 50 aus einem Kohlenstoffgewebe um das Wärmeaufnahmeteil 40 aus Kohlenstoff herumgelegt. Offenbar führt das Kohlenstoffgewebe nicht zu einer direkten Kopplung mit dem Wechselspannungsfeld, doch bewirkt es eine erhebliche Verringerung der Wärmeverluste des Wärmeaufnahmeteils 40. Wenn eine bestimmte Menge an hochfrequenter Energie eingestellt ist, führt die Verwendung der Strahlungsabschirmung 50 zu einer Erhöhung der Temperatur des Wärmeaufnahmeteils um bis zu 500° Q

Der beschriebene Ofen kann benutzt werden, um Kristalle aus den verschiedensten Stoffen zu züchten, bei denen die Erfindung anwendbar ist, wobei jeweils eine der verschiedenen in Fig. 2 bis 8 dargestellten Anordnungen benutzt wird, die einen Tiegel und ein

Formgebungsteil umfaßt.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung zum Züchten endloser Fäden von im wesentlichen kreisrunder Querschnittsform. Diese Anordnung umfaßt einen Tiegel 46, der mit einem Deckel 52 versehen ist, welcher vorzugsweise aus dem gleichen Material besteht wie der Tiegel. Der Deckel 52 wirkt bezüglich des Tiegelinhalts als Wärmeabschirmung. In der Mitte des Deckels ist eine öffnung 54 vorgesehen. In dem Tiegel ist ein Formgebungsteil 56 angeordnet, das eine zylindrische Stange 58 umfaßt, die mit einer mit ihr aus einem Stück bestehenden flachen Grundplatte 60 versehen ist, die sich am Boden des Tiegels 46 abstützt. Die Grundplatte 60 ist so geformt und bemessen, daß sie eng in den Innenraum des Tiegels paßt. Der Außendurchmesser der Stange 58 ist kleiner als der Durchmesser der Öffnung 54 in dem Deckel 52, und die Stange ist so lang, daß sie ein kurzes Stück nach oben über den Deckel 52 hinausragt. Die Stange weist eine axiale Bohrung 62 auf und ist nahe ihrem unteren Ende mit einer oder mehreren radialen öffnungen 63 versehen, in die die Schmelze aus dem Tiegel 46 eintreten kann. Die Bohrung 62 ist so bemessen, daß sie als Kapillarrohr wirkt. Das obere Ende der Stange 58 ist als ebene Stirnfläche 64 ausgebildet, die die Umfangsfläche der Stange im rechten Winkel schneidet.

Die Abmessungen des Tiegels 46 und des Formgebungsteils 56 können innerhalb relativ weiter Grenzen variiert werden und richten sich nach den Abmessungen und der Heizleistung des Ofens sowie nach dem Durchmesser und der Länge des herzustellenden fadenförmigen Kristalls. Es ist jedoch wichtig, daß die axiale Bohrung 62 oder der bei noch zu beschreibenden Ausführungsformen vorgesehene Kanal zum Zuführen der Schmelze so bemessen ist, daß das geschmolzene Material 66 durch die Kapillarwirkung veranlaßt wird, in der Bohrung bis zu ihrem oberen Ende hochzusteigen, so daß es möglich ist, auf der oberen Stirnfläche der Stange 58 auf eine noch zu erläuternde Weise eine aus geschmolzenem Material bestehende Züchtungspfütze auszubilden und zu erhalten.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 an Hand von Fig. 3 bezüglich eines Verfahrens zum Züchten von Fäden aus α-Aluminiumoxid beschrieben. In dem Ofen ist in der vorstehend beschriebenen Weise ein aus Molybdän bestehender Tiegel mit einem Innendurchmesser von etwa 16 mm, einer Wandstärke von etwa 4,8 mm und einer inneren Tiefe von etwa 14,3 mm angeordnet. Der Tiegel ist mit einem aus Molybdän bestehenden Deckel mit eine r Dicke von etwa 2,5 mm und einer zentralen Öffnung mit einem Durchmesser von etwa 5 mm versehen. In dem Tiegel ist ein Formgebungsteil 56 angeordnet, wie es an Hand von Fig. 2 beschrieben wurde. Der Durchmesser der Stange des Formgebungsteils beträgt etwa 2 mm, die Stange hat eine solche Länge, daß ihr oberes Ende um etwa 1,6 mm über den Deckel 52 hinausragt, und die Stange ist mit einer axialen Kapillarbohrung 62 mit einem Durchmesser von etwa 1 mm versehen. Der Tiegel ist mit im wesentlichen reinem, polykristallinen a-Aluminiumoxid gefüllt, und in den Halter 36 ist ein Kristallkeim 38 aus a-Aluminiumoxid so eingesetzt, daß seine C-Achse parallel zur Bewegungsbahn des Halters verläuft. Das untere Ende des Kristallkeims hat einen genügend kleinen Querschnitt, so daß es in das obere Ende der Kapillarbohrung 62 eingeführt werden kann. Der Kristallkeimhalter und das Wärmeaufnahmeteil können zugänglich gemacht werden, indem man das Bett 2 gegenüber der Ofenumschließung nach unten bewegt und dann den Kristallkeimhalter bis unterhalb des unteren Endes des Rohrs 4 vorschiebt. Der Tiegel 46 ist so angeordnet, daß das Formgebungsteil 56 in Fluchtung mit dem Kristallkeim steht, und daß die obere Stirnfläche 64 der

ίο Stange 58 im rechten Winkel zur CAchse des Kristallkeims verläuft. Nachdem das Bett 2 wieder in die in Fig. 1 gezeigte Stellung gebracht worden ist, läßt man Kühlwasser zwischen den beiden Quarzrohren zirkulieren, und die Ofenumschließung wird evakuiert und mit Helium gefüllt, das unter einem Druck von etwa I atü steht, der während des Züchtungsvorgangs aufrechterhalten wird. Der Spule 30 wird ein hochfrequenter Wechselstrom so zugeführt, daß das Aluminiumoxid geschmolzen wird; der Schmelzpunkt des

»o Aluminiumoxids liegt etwa bei 2000° C. Die so erzeugte Schmelze ist in Fig. 2 bei 66 angedeutet. Sobald sich das Aluminiumoxid verflüssigt, steigt gemäß Fig. 3 eine Säule 68 aus geschmolzenem Aluminiumoxid in der Kapillarbohrung 62 nach oben, bis ihr

»5 Meniskus im wesentlichen mit dem oberen Ende der Stange 58 fluchtet. Nachdem man eine Wartezeit eingeschaltet hat, so daß sich ein Temperaturgleichgewicht eingestellt hat, wird die Ziehvorrichtung 34 so betätigt, daß der Kristallkeim 38 in Berührung mit dem Meniskus der Aluminiumoxidsäule in der Kapillarbohrung 62 kommt; diese Berührung wird auf die Dauer von etwa 5 see aufrechterhalten, und dann wird die Ziehstange 32 langsam, d.h. mit einer Geschwindigkeit von etwa 12,5 mm/min, nach oben bewegt.

Der Temperatur der Schmelze in dem Kapillarrohr 62 kommt eine kritische Bedeutung zu. Wenn das Material zu kalt ist, besteht die Gefahr, daß es im oberen Ende des Kapillarrohrs erstarrt und daß kein Wachstum auf dem Kristallkeim erfolgt. Ist die Schmelze dagegen zu heiß, bewirkt sie, daß der Kristallkeim 38 geschmolzen wird. Daher besteht die Gefahr, daß das anfängliche Hochziehen des Kristallkeims nicht von einem Kristallwachstum begleitet ist. Somit ist es erforderlich, die Erwärmung der Schmelze so einzustellen, daß der erzeugte Film weder zu kalt noch zu heiß wird; nunmehr kann der Kristallkeim erneut in Berührung mit der Säule aus dem geschmolzenen Material gebracht werden; wie schon erwähnt, wird eine Berührung auf die Dauer von etwa 5 see aufrechterhalten, woraufhin die Ziehstange 32 wieder nach oben gezogen wird. Die Tatsache, daß die richtige Temperatur der Schmelze erreicht ist, ist daran zu erkennen, daß am unteren Ende des relativ kälteren Kristallkeims das Kristallwachstum beginnt. Normalerweise "wird der Kristallkeim weiter langsam nach oben gezogen, und die Affinität zwischen der Schmelze und dem frisch gezüchteten Kristall auf dem Kristallkeim bewirkt, daß sich die Schmelze von dem Kapillarrohr aus auf der Stirnfläche 64 in Form eines Rims 70 ausbreitet, dessen geometrische Form sich nach der Form der Außenkante der Stirnfläche 64 richtet.

Wenn das Kristallwachstum auf dem Kristallkeim einsetzt, sich die Schmelze jedoch nicht sofort ausbreitet, um den Film 70 zu bilden, werden Maßnah-

6j men getroffen, um die Schmelze zu zwingen, sich in der erwünschten Weise auszubreiten. Zu diesem Zweck kann man die mittlere Temperatur der Schmelze oder die Ziehgeschwindigkeit erhöhen.

Vorzugsweise wird die Ziehgeschwindigkeit konstant auf einem Wert zwischen etwa 12,5 mm und etwa 25 mm gehalten, und die Temperatur der Schmelze wird langsam gesteigert, bis die Entstehung des gewünschten Films beobachtet wird. Dieser Film bildet eine aus der Schmelze bestehende Pfütze, in der sich das Kristallwachstum abspielt. Wenn sich der Film 70 bis zum Rand der Stirnfläche 64 ausbreitet, breitet sich auch der wachsende Kristall waagerecht aus. Bei der Beibehaltung der erwähnten Ziehgeschwindigkeit breitet sich das Kristallwachstum in senkrechter Richtung innerhalb der gesamten waagerechten Fläche des Films aus, so daß der Durchmesser des wachsenden runden kristallinen Körpers 72 im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Stirnfläche 64 ist. Wenn sich das Wachstum fortsetzt, werden die Ziehgeschwindigkeit und die Wärmezufuhr so eingestellt, daß sie auf Werten gehalten werden, bei denen ein optimales Kristallwachstum erzielt wird. In der Praxis wird eine Ziehgeschwindigkeit von etwa 50 bis 75 mm/min ein- »o gestellt. Der wachsende Faden ist kreissymmetrisch, und sein Außendurchmesser ist im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Stirnfläche 64 des Formgebungsteils bei der Wachstumstemperatur, und die maximale Länge des gezüchteten Fadens wird nur durch die maximale Ziehstrecke begrenzt, die durch die Konstruktion der Ziehvorrichtung 34 gegeben ist; wenn eine kontinuierlich arbeitende Ziehvorrichtung benutzt wird, wird die Länge des gezüchteten Fadens durch die Größe des Vorrats an geschmolzenem Aluminiumoxid begrenzt. Die Außenfläche des Fadens ist sehr glatt. Untersucht man aus «-Aluminiumoxid in der soeben beschriebenen Weise gezüchtete Fäden, erkennt man, daß die Fäden gewöhnlich einen einzigen Kristall bilden. In manchen Fällen umfaßt der Fa- den jedoch zwei, drei oder vier Kristalle, die in der Längsrichtung wachsen und durch eine Korngrenze getrennt sind, die unter einem kleinen Winkel von 3" bis 4" gegen die C-Richtung verläuft.

Das gleiche gilt für andere aus »-Aluminiumoxid hergestellte Körper wie Bänder. Rohre usw., die unter Verwendung eines Kristallkeims gezüchtet werden, der so orientiert ist, daß seine C-Achse parallel zur Ziehachse verläuft.

Wenn man die sich nach der mittleren Temperatur +5 des Films 70 richtende Betriebstemperatur in der Nähe des Schmelzpunktes des zu züchtenden Materials, jedoch etwas darüber konstant hält, zeigt es sich, daß man die Ziehgeschwindigkeit in einem erheblichen Ausmaß variieren kann, z.B. je nach der Be- so triebstemperatur um bis zu 50% bei einem Faden mit einem Durchmesser von etwa 0,25 mm, ohne daß sich der Querschnitt des Erzeugnisses wesentlich verändert. Wenn man die Ziehgeschwindigkeit konstant hält, ist es entsprechend möglich, die Betriebstemperatur in einem erheblichen Ausmaß zu ändern, z. B. bezüglich des Schmelzpunktes von Aluminiumoxid um 15° bis 30°, ohne daß eine wesentliche Änderung ■ des Querschnitts des Erzeugnisses die Folge ist. Somit bietet das erfindungsgemäße Verfahren den großen Vorteil, daß es ein Erzeugnis von konstantem Querschnitt liefert, obwohl die Betriebstemperatur und die Ziehgeschwindigkeit innerhalb eines relativ großen Bereichs geändert werden können. Wird die Ziehgeschwindigkeit zu stark erhöht, so daß das Kapillarrohr die Schmelze nicht genügend schnell zuführen kann, um den Film so schnell aufzufüllen, wie er durch das Kristallwachstum verbraucht wird, entspricht der Querschnitt nicht mehr der geometrischen Form der Stirnfläche 64, und das Kristallwachstum kann tatsächlich unterbrochen werden.

Die Tatsache, daß der gewachsene Faden im wesentlichen die gleiche Größe und Form hat wie der Rand der Stirnfläche 64, legt den Gedanken nahe, daß der Film 70 eine Waciistumszone bildet, die parallel zu der Fläche 64 im wesentlichen isothermisch ist und die gleiche Form und den gleichen Durchmesser hat wie die Fläche 64. Es sei bemerkt, daß der Film unter den üblichen Wachstumsbedingungen eine Dicke in der Größenordnung von etwa 0,25 mm hat und einen Temperaturgradienten in senkrechter Richtung aufweist, wobei der Film an seiner die Stange 58 berührenden Fläche am heißesten ist. Die Stange wirkt somit im wesentlichen als eine isothermische Heizvorrichtung, so daß mit Hilfe der Stange in allen Teilen der Trennfläche zwischen der Stirnfläche 64 und dem Film 70 im wesentlichen die gleiche Temperatur herrscht.

Es hat sich gezeigt, daß gemäß der Erfindung gezüchtete, im wesentlichen monokristalline Fäden aus «-Aluminiumoxid eine Zugfestigkeit von bis zu etwa 280 kg/mm² aufweisen, und daß ihr Elastizitätsmodul etwa 28000 bis 49000 kg/mm² beträgt. Eine erhebliche Verringerung der Zugfestigkeit, des Elastizitätsmoduls und des Biegemoduls ergibt sich, wenn der Kristallkeim so befestigt wird, daß seine C-Achse nicht parallel zur Bewegungsachse des Kristallhalters und nicht im rechten Winkel zur Oberfläche der Schmelze verläuft. Um ein nicht als Einschränkung aufzufassendes Beispiel zu geben, sei erwähnt, daß Fäden mit einem Durchmesser von etwa 0,125 bis 2.5 mm bei Ziehgeschwindigkeiten von etwa 75 bis 100 mm/min unter Benutzung verschiedene Abmessungen aufweisender Formgebungsteile der in Fig. 2 gezeigten Art oder weiterer noch zu beschreibender Arten gezüchtet wurden.

Es sei bemerkt, daß man mit dem Züchtungsvorgang mit einem Kristallkeim beginnen kann, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Kapillarbohrung des Formgebungsteils 56. Indiesem Fall ^W;^rd _f?^er. Knstallkeim direkt in Berührung mit der Stirnflache 64 gebracht und etwa 10 see lang dan.it in Berührung gehalten, damit sein unteres Ende /um

Rl? f ι" ? ^* ^{Wird Und einen} geschmolzenen Film auf der Stirnflache bildet, woraufhin der Kristallkeim langsam nach oben gezogen wird. Dieses Hochziehen des Kristallkeims ist von einem Kristallwachstum begleitet, das auf eine Erstarrung eines Teils des Materials zurückzuführen ist, aus dem der Film bestct vYciiii das wachstum einsetzt, bewirkt die Affinitat der Flüssigkeit für das gewachsene Material daß weitere Teile der Schmelze in der Kapillarbohrung hochsteigen und sich auf der Stirnfläche des Formgebungsteils ausbreiten. Die Kapillarbohnmg iährt fort

fhw "!? if"^^³^^{31 mit einer der} Wachstumsge-' schw_ind,gkeit des Kristalls angepaßten Geschwindigkeit zuzuführen so daß der Film die Stirnfläche weiterhin vollständig überdeckt und der wachsende KnstaJlkorper einen Durchmesser erhält, der gleich

dem Durchmesser des Formgebungsteils ist. Wenn der Knstal keim einen Durchmesser hat, der größer ist

sSrfTT ^{der St}™^{Mche 6}^ ^{kann es} erforderlich sein, die Wärmezufuhr etwas zu steigern, so daß die Temperatur der oberen Stirnfläche der Stange 58 vor ihrer Berührung mit dem Kristallkeim höher ist, als sie normalerweise zur Auf««-!—-i-i. 1 ' ·

innerlichen Wachstums zu sein braucht. Diese höhere Temperatur gleicht den Wärmesenkeeffekt des relativ großen Kristallkeime aus, der bewirkt, daß die Pfütze, d. h. der durch die Schmelze gebildete Film, kurzzeitig eine niedrigere mittlere Temperatur annimmt, als es anderenfalls geschehen würde, wenn der Kristallkeim nach oben gezogen wird. Wenn dieser Wärmesenkeeffekt nicht durch eine Verstärkung der Heizung ausgeglichen wird, kann der Kristallkeim außer Berührung mit der Schmelze kommen, so daß kein Kristallwachstum auftritt. Sobald ein Kristallwachstum oberhalb des Films zu beobachten ist, kann man die Wärmezufuhr verringern, so daß die Geschwindigkeit, mit der die freigesetzte Erstarrungswärme durch Abstrahlung beseitigt wird, der bevorzugten Ziehgeschwindigkeit für ein kontinuierliches Wachstum über die ganze Fläche des Films hinweg angepaßt ist.

Die Kapillarbohrung oder Öffnung des Formgebüngsteils braucht keine kreisrunde Querschnittsform zu haben, und die Öffnung kann sogar gegenüber der Schmelze über ihre ganze Länge offen sein. Gemäß Fig. 4 ist es z.B. möglich, runde Fäden unter Benutzung eines Formgebungsteils 76 zu züchten, das dem Formgebungsteil 56 insofern ähnelt, als es aus einer zylindrischen Stange 78 besteht, an die eine kreisrunde Grundplatte 80 angearbeitet ist, das sich jedoch von dem Formgebungsteil 56 dadurch unterscheidet, daß es einen axialen Schlitz 82 aufweist, der sich von der Grundplatte 80 aus nach oben erstreckt und so bemessen ist, daß er als Kapillarkanal zur Wirkung kommt und die ebene obere Stirnfläche praktisch in zwei allgemein halbrunde Hälften 84 und 86 unterteilt. Das Formgebungsteil 76 wird in dem Tiegel 46 in der gleichen Weise angeordnet wie das Formgebungsteil 56, und es wird in der gleichen Weise zum Züchten von Fäden benutzt. Ein aus der Schmelze bestehender Film kann auf den Stirnflächenteilen 84 und 86 in der beschriebenen Weise erzeugt werden, indem man einen Kristallkeim benutzt, der genügend klein ist, so daß er in den Schlitz 82 eingeführt werden kann, oder aber einen größeren Kristallkeim, der in Berührung mit dem Formgebungsteil 76 gebracht wird. Wenn das Kristallwachstum fortschreitet, fließt die Schmelze kontinuierlich durch den Schlitz 82 nach oben zu den Stirnflächenteilen 84 und 86 der Stange 78, so daß der Film das Kristallwachstum so aufrechterhält, daß ein Faden entsteht, dessen Durchmesser im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Stange ist. Natürlich beschränkt sich die Trennfläche zwischen der Flüssigkeit und dem festen Material, an der sich das Wachstum abspielt, nicht auf den durch die Stirnflächenteile 84 und 86 unterstützten Film, sondern sie erstreckt sich auch oberhalb des Schlitzes 82.

Es sei bemerkt, daß es im Gegensatz zu den Zeichnungen möglich ist, dafür zu sorgen, daß das Formgebungsteil nach oben genügend weit über den Tiegeldeckel 52 hinausragt, so daß man eine oder mehrere Strahlungsabschirmungen vorsehen kann, die dazu beitragen, die Geschwindigkeit zu regeln, mit der die freiwerdende Erstarrungswärme abgeführt wird. Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise sind die Strahlungsabschirmungen als flache Platten ausgebildet, die aufeinander gestapelt werden können. Hierbei ist es möglich, Formgebungsteile von unterschiedlicher Länge in Verbindung mit ein und demselben Tiegel zu verwenden.

Fig. 5 und 5 A zeigen eine weitere Ausführungsform einer einen Tiegel und ein Formgebungsteil um fassenden Anordnung zum Züchten von Fäden mit einer dreieckigen Querschnittsform. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann das Formgebungsteil eine Basis umfassen, die sich flach an den Boden des Tiegels 46 anlegen kann, wie es in F i g. 2 und 4 dargestellt ist, oder es kann eine ebene Platte 94 umfassen, die an ihrem Rand einen nach unten ragenden Mantelabschnitt 96 trägt, durch den die Platte in einem Abstand oberhalb des Tiegelbodens gehalten wird. Die Platte

ίο 94 hat mehrere Offnungen 98 und trägt eine Stange 100 von dreieckiger Querschnittsfonn mit einer sich längs ihrer Achse erstreckenden Kapillarbohrung 102. Die Kapillarbohrung braucht nicht gleichachsig mit der Stange 100 angeordnet zu sein, sondern sie kann gcgcnültcr der IJingsach.se exzentrisch angeordnet sein. Die Stange 100 endet an einer ebenen oberen Stirnfläche 104. Das Verfahren zum Züchten dreiekkiger Fäden mit Hilfe der Anordnung nach Fig. 5 und 5 A isi das gleiche wie das Verfahren zum Züchten

■0 runder Fäden, abgesehen davon, daß der durch die Schmelze gebildete dünne Film bzw. die Pfütze, in der sieh das Wachstum abspielt, und die die Stirnfläche 104 bedeckt, eine ini wesentlichen dreieckige Form hat, und daß die Temperaturverteilung in dieser

as Pfütze derart ist. daß das Kristallwachstum in senkrechter Richtung innerhalb der ganzen waagerechten Wachstumszone abläuft, die sich im wesentlichen über die ganze Stirnfläche 104 erstreckt. Als Beispiel sei erwähnt, daß mit Hilfe dieser Anordnung erzeugte Fäden aus «-Aluminiumoxid glatte, im wesentlichen ebene Seitenflachen haben, die an abgerundeten Kanten ineinander übergehen. Diese Fäden sind im wesentlichen monokristallin. Es konnten dreieckige Fäden aus a-Aluminiumoxid, bei denen die Abmessung zwischen jeder Kante und der Mittellinie der ihr gegenüber liegenden Seitenfläche etwa 4,8 mm betrug, mit einer Geschwindigkeit von etwa 25 mm/min gezüchtet werden.

Fig. 6 veranschaulicht in einer vergrößerten perspektiv ischen Darstellung die Züchtung eines langgestreckten flachen Bandes unter Benutzung eines diesem Zweck angepaßten Formgebungsteils. Das Formgebungsteil besteht aus einer Stange 108 von rechteckiger Querschnittsform, die an ihrem oberen

♦5 Ende eine ebene Stirnfläche 110 besitzt, die im wesentlichen im rechten Winkel zu den vier Seitenflächen der Stange verläuft. Das nicht dargestellte untere Ende der Stange 108 ist an einer geeigneten Grundplatte ähnlich den Grundplatten der beschriebenen Formgebungsteile 56 und 76 befestigt. Die Stange 108 weist mehrere Kapillarkanäle in Form kreisrunder axialer Bohrungen 112 auf, die sich von der Stirnfläche 110 aus nach unten zum unteren Ende der Stange erstrecken und in dem Tiegel über nicht dargestellte

Öffnungen, die ilen radialen Öffnungen 63 des Formgebungsteils 56 entsprechen, mit der Schmelze in Verbindung stehen. Die Zahl der Kapillarbohrungen ist nicht von kritischer Bedeutung und kann daher nach Bedarf geändert werden. Auch der Querschnittsform der Kapillarkanäle kommt keine kritische Bedeutung zu. Gemäß Fig. 7 ist es daher möglieh, ein lormgebungsteil zu benutzen, das eine Stange 116 umfaßt, deren Form derjenigen der Stange 108 entspricht, die jedoch an Stelle der axialen Höhlungen 112 einen ein zigen Kapillarkanal in Form eines Schlitzes 118 aufweist, der längs einer Seite der Stange offen ist. Dei Schlitz 118 erstreckt sich \on der Stirnfläche 120 dei Stange 116 aus nach unten, und da er an einer I .mgs

kante offen ist, ist es nicht erforderlich, den radialen Öffnungen 63 des Formgebungsteils 56 ähnelnde Öffnungen vorzusehen, um eine Verbindung zwischen dem Schlitz und der Schmelze in dem Tiegel herzustellen. Die Züchtung eines Bandes mit Hilfe der Formgebungsteile nach Fig. (i und 7 erfolgt nach dem gleichen Verfahren wie die Züchtung runder Fäden, abgesehen davon, daß die dünnen Filme aus der Schmelze, die auf den Stirnflächen 110 und 120 erzeugt und ?ufrechterhalten werden, die Züchtung von Bändern ermöglichen, die eine im wesentlichen rechteckige Querschnittsform haben, wobei die Breite und Dicke der Bänder weitgehend der Breite und Dicke der Stangen 108 und 116 entsprechen. Fig. 6 zeigt ein solches Band 122, das aus einem flüssigen Film 124 gezüchtet wird, der die Stirnfläche 110 vollständig überdeckt und ständig über die Kapillarbohrungen 112 ergänzt wird. Bänder, die mit Hilfe von Formgebungsteilen ähnlich den in Fig. 6 und 7 dargestellten gezüchetet werden, haben ebene Seitenflächen, die glatt sind, wobei die maximale Abweichung etwa 1000 Angström beträgt. Als Beispiel sei erwähnt, daß Bänder aus «(-Aluminiumoxid mit einer Breite von etwa (1.35 mm und einer Dicke von etwa (K 125 bis 0,25 mm bei Ziehgeschwindigkeiten über etwa 25 mm/min gezüchtet werden sind. Diese und andere Bänder aus «(-Aluminiumoxid, die auf Kristallkeimen gezüchtet werden, deren C-Achse parallel zur Ziehrichtung angeordnet ist, zeigen eine mittlere Zugfestigkeit in der Größenordnung von etwa 79 kg/mnr.

Fig. 8 und 8 A zeigen ebenfalls ein Formgebungsteil, mittels dessen jedoch rolirförmige Körper aus «- Aluminiumoxid gezüchtet wurden. In diesem Fall umfaßt das Formgebungsteil eine runde Stange 128 mit einem kreisrunden Basisabschnitt 130 zum Unterstützen der Stange in dem Tiegel. Das obere Ende der Stange 128 ist mit einer axialen Bohrung 132 versehen und weist eine ebene ringförmige Stirnfläche 134 auf. !■"einer ist die Stange 128 mit vier Kapillarkanälcn in Form runder Bohrungen 136 versehen, die sich vom unteren Ende der Stange aus nach oben zu der ringförmigen Stirnfläche 134 erstrecken; ferner sind vier radiale Öffnungen 138 vorgesehen, die es der Schmelze ermöglichen, aus dem Tiegel in die Kapilliirhohrungen einzutreten. Beim Züchten rohrförmitier Körper unter Benutzung des Formgebungsteils nach Fig. N und N A wird im wesentlichen das gleiche Verfahren angewendet, das vorstehend bezüglich des Züchtens von Fäden und Bändern beschrieben ist. Mit anderen Worten, der verwendete Kristallkeim kann so klein sein, daß er in eine der Kapillarbohrungen eingeführt werden kann, oder er kann so groß sein, daß er die ganze ringförmige Stirnfläche 134 oder auch nur einen Teil dieser Fläche berührt. Ferner kann der Kristallkeim sogar als rohrförmiger Körper ausgebildet sein, der vorher mit Hilfe des gleichen Formgebungsteils gezüchtet worden ist. Wenn das Ende des Kristallkeims nicht durch einen vorher gezüchteten rohrförmigen Körper gebildet ist. muß die anfängliche Ziehgeschwindigkeit genügend niedrig sein, damit sich das Wachstum in waagerechter Richtung bis über die ganze Fläche 134 ausbreiten kann, bevor ein größeres Wachstum in senkrechter Richtung erfolgt ist. Selbst bei niedrigen Ziehgeschwindigkeiten spielt sich das anfängliche Wachstum in erster Linie in der senkrechten Richtung ab. Wird die Ziehbewegimg jedoch fortgesetzt, schreitet das Kristallwachstum sowohl suitlich als auch in senkrechter Richtung fort, bis ein vollständiges Rohr entstanden ist. Danach wird die Ziehgeschwindigkeit auf den maximalen Wert gesteigert, bei dem sich der rohrförmige Körper weiter verlängert, wobei seine Wandstärke im wesentlichen gleich der Breite der ringförmigen Stirnfläche 134 ist. Unter Benutzung des Formgebungsteils nach Fig. 8 und 8 A wurden im wesentlichen monokristalline Rohre aus a-Aluminiumoxid gezüchtet. Als Beispiel sei erwähnt, daß Rohre aus «(-Aluminiumoxid mit einem Innendurchmesser von etwa 1 ,6 mm und einer Wandstärke von etwa 0,8 mm gezüchtet worden sind. Bei einer Ziehgeschwindigkeit von etwa 50 mm/min sind diese Rohre dadurch gekennzeichnet, daß ihre Innen- und Außenflächen glatt sind.

Zwar ist die Benutzung einer Deckplatte für den Tiegel nicht unbedingt erforderlich, doch sei bemerkt, daß die Benutzung einer solchen Abdeckung eine bessere Regelung der mittleren Temperatur der Schmelze in dem Tiegel und den Kapillarkanälen erleichtert, da

ao sie die Wärmeverluste verringert und so zur Herstellung eines thermischen Gleichgewichts beiträgt. Ferner ist es nicht erforderlich, das Verfahren in einer Argon- oder Heliumatniosphäre durchzuführen. Vielmehr ist es auch möglich, den Ofen in einem ge-

»5 eigneten Ausmaß zu evakuieren.

Wie bereits erwähnt, kann die Erfindung auch zur Herstellung von Körpern aus anderen kongruent schmelzenden Materialien Verwendung finden. Hierauf bezichen sich die im folgenden angegebenen weiteren Beispiele:

Als erstes weiteres Beispiel sei die Züchtung eines runden Fadens aus Bariumtitanat beschrieben. Ein langgestreckter dünner Kristallkeim aus Bariumtitanat wird in den Halter 36 ohne Rücksicht auf seine Orientierung eingesetzt. Gleichzeitig wird Bariumtitanat in den Tiegel eingebracht, in dem sich das Formgebungsteil 56 befindet. Der Tiegel und das Formgcbungsteil bestehen aus Iridium. Nach dem Auflegen des ebenfalls aus Iridium bestehenden Deckels wird der Tiegel auf dem Wärmeaufnahmeteil 40 angeordnet. Nachdem das Bett 2 wieder in die in Fig. 1 gezeigte Stellung gebracht worden ist. leitet man Kühlwasser durch den Raum zwischen den beiden Quarzrohren, und die Ofcnumschließung wird evakuiert und mit Argon gefüllt. Der Druck in dem Ofen wird auf etwa I atü eingestellt. Dann wird die Hochfrequenzspule eingeschaltet und so betrieben, daß das Bariumtitanat in dem Tiegel auf eine mittlere Temperatur von etwas mehr als etwa 1620° C erhitzt wird.

Sobald die Schmelze in der Kapillaröffnung so weit hochgestiegen ist. daß ihr Meniskus sichtbar ist, und sobald sich ein Temperaturgleichgewicht eingestellt hat, wird die Ziehvorrichtung 34 betätigt, um den Kristallkeim nach unten zu bewegen und ihn in Bcrührung mit dem Meniskus der Schmelze in der Kapillarbohrung zu bringen. Nach einer Berührungsdauer von 5 bis K) see wird der Kristallkeim mit einer Geschwindigkeit von etwa 12,5 mm/min hochgezogen. Wenn die Zufuhr von Wärme so eingestellt ist, daß in der Schmelze eine Temperaturverteilung erzielt wird, die zu einem Kristallwachstum führt, bewirkt das Hochziehen des Kristallkeims, daß das Kristallwachstum auf dem Keim einsetzt; diese. Einstellung muß ebenso wie bei dem .-i-Aluminiumoxid durch

η=, Probieren ermittelt werden, d. h. es kann erforderlich sein, den Kristallkeim mehrmals nach oben zu bewegen, um festzustellen, ob bei einer bestimmten Wärmezufuhr ein Kristallvvachstum zu beobachten

ist Die Geschwindigkeit des Hochziehens des Kristallkeims wird geändert, bis die obere Stirnfläche des Formgebungsteils von einem dünnen Film der Schmelze bedeckt ist, der das Wachstum bis zum Außendurchmesser des Formgebungsteils unterhält. Danach hält man die Ziehgeschwindigkeit und die Wärmezufuhr konstant, bis der Kristall die gewünschte Länge erreicht hat, oder bis der Inhalt des Tiegels im wesentlichen verbraucht ist. Die mittlere Ziehgeschwindigkeit beträgt etwa 19 mm/min. Das so gezüchtete Erzeugnis ist durch eine glatte Oberfläche gekennzeichnet, und es ist im wesentlichen monokristallin.

Das zweite Beispiel betrifft die Züchtung eines runden Fadens aus Yttrium-Aluminiumoxid-Granat. In diesem Fall bestehen der Tiegel, der Deckel und das Formgehungstei! ebenfalls aus Iridium. Das Verfahren ist das gleiche wie das bezüglich der Züchtung eines Fadens aus Bariumtitanat beschriebene, abgesehen davon, daß ein Kristallkeim aus Aluminiumoxid verwendet wird, und daß der Yttrium-Aluminiunioxid-Granat in dem Tiegel auf eine mittlere Temperatur erhitzt wird, die etwas über 2()()()° C liegt. Die mittlere Ziehgeschwindigkeit beträgt etwa 1^l) mm/ min. Der gezüchtete Faden hat einen Durchmesser, der annähernd gleich dem Außendurchmesser des Formgebungsteils ist. Seine Oberfläche ist glatt, un<l er ist im wesentlichen monokristallin.

Als weiteres Beispiel sei die Züchtungeines Fadens aus Lithiumniohat beschrieben. Das Verfahren ist das gleiche wie das bezüglich des «-Aluminiumoxids, des Bariumtitanats und des Yttrium-Aluminiumoxid-Granats beschriebene, abgesehen davon, daß der Tiegel, der Deckel und das Formgenungsteil aus Platin bestehen; der Kristallkeim besteht aus Strontiumtitanal, und das Lithiumniobat wird bei einer mittleren Temperatur geschmolzen, die etwas über 1300" C liegt. Es wird mit einer mittleren Ziehgeschwindigkeit von etwa 12,5 mm/min gearbeitet, um einen Faden zu erzielen, der annähernd den gleichen Durchmesser hat wie das Formgebungsteil. Der gezüchtete Faden

aus Lithiumniobat hat eine glatte Oberfläche und ist im wesentlichen monokristallin.

Als weiteres Beispiel sei erwähnt, daß es mit Hilfe des gleichen Verfahrens möglich ist, einen Faden aus Natriumchlorid auf einem geeigneten Kristallkeim. z.B. einem solchen aus «-Aluminiumoxid, aus einer Schmelze zu züchten, die in einem Tiegel aus Molybdän auf eine Temperatur von etwa 800° C erhitzt wird.

Es sei bemerkt, daß das Bariumtitanai ein hexagonales oder kubisches Kristallgefüge zeigt, daß Yttrium-Aluminiumoxid-Granat kubisch kristallisiert, und daß Lithiumniobat rhomboedrische Kristalle bildet.

Die Erfindung ermöglicht noch weitere Abwandlungen oder Erweiterungen. Beispielsweise braucht das Formgebungsteil nicht als gesondertes Bauteil ausgebildet zusein, urd es braucht auch keine Grundplatte zu umfassen, mittels deren es in dem Tiegel linterstützt wird; statt dessen kann das Formgebungsteil an dem Tiegeldeckel befestigt sein und einen Bestandteil des Deckels bilden.

Im Rahmen der Erfindung kann man weitere Abwandlungen und Erweiterungen vorsehen. Beispiclsweise kann man zwei oder mehr im wesentlichen kristalline Körper gleichzeitig ziehen, indem man zwei oder mehr Formgebungsteile benutzt, die in einem einzigen Tiegel angeordnet sind. Die Halter für die verschiedenen Kristallkeime, die man zum Züchten mehrerer Körper benötigt, können je nachdem, oh das Verfahren in einem begrenzten Umfang oder kontinuierlich durchgeführt werden soll, mit der gleichen Ziehvorrichtung oder mit getrennten Ziehvorrichtungen verbunden sein. Bei einer weiteren Abwandlung ist es möglich, ein Formgebungsteil zu benutzen, das geeignet ist, einen kristallinen Körper zu züchten, der mehrere axiale Öffnungen aufweist. Ein solches Formgebungsteil läßt sich gemäß der vorstehenden Beschreibung leicht herstellen, z.B. indem man mchrere der in Fig. S gezeigten Stangen 128 miteinander vereinigt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patenta nsprüche:

1. Verfahren zum Ziehen eines kristallinen Körpers vorbestimmten Querschnitts aas einer Schmelze eines kongruent schmelzenden, in fester Form kristallinen Materials, unter Verwendung eines aus einem durch die Schmelze benetzbaren Material bestehenden Formgebungsteils, das wenigstens einen kapillaren Durchlaß zur Zufuhr der Schmelze aus einer am unteren Ende der Kapillaren befindlichen Vorratsschmelzc zu einer Ziehzone an der oberen Öffnung der Kapillaren aufweist, aus der der Körper gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formgebungsteil verwendet wird, das eine horizontale obere Endoberfläche aufweist, die durch sich nach unten erstrekkende Kantenfläche(n) begienzt und im wesentlichen der vorbestimmten Querschnittsflüche gleich ist, so daß sich darauf bis hin zu den Kanten ein Schmelzfilm bildet, aus dem der kristalline Körper gezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formgebungsteil mit kreisförmiger Endoberfläche verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formgebungsteil mit kreisringförmiger Endoberflächc verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formgebungsteil mit polygonförmiger Endoberfläche verwendet wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen einkristalliner Körper hergestellt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung des geschmolzenen Films durch Schmelzen eines Teils eines Kristallkeims auf der horizontalen Endoberfläche des Formgebungsteils ausgelöst wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontale Endoberfläche im wesentlichen eben, konkav oder konvex ausgebildet wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem Schmelzfilm, der eine Dicke in der Größenordnung von 0,25 mm hat, gezogen wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorratsschmelze in einen Schmelztiegel aufgenommen wird und das Formgebungsteil vom Boden des Schmelztiegels abgestützt wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 mit einem Tiegel zum Aufnehmen eines Vorrats des Materials, einer Vorrichtung zur Erhitzung des Tiegels, urr das Material zu schmelzen und die Schmelze auf einer den Schmelzpunkt des Materials überschreitenden Temperatur zu halten, einem in dem Tiegel angeordneten Formgebungsteil aus durch die Schmelze benetzbarem Material, das mindestens einen kapillaren Durchlaß aufweist, um Schmelze aus dem Tiegel hinauf zur Ziehzone an der oberen Öffnung der Kapillare zu befördern, einer Vorrichtung zum Festhalten eines Kristallkeims, auf dem der kristalline Körper auf-

wächst und Vorrichtungen zum Einstellen und Bewegen dieses Kristallkeimhalters, so daß der kristalline Körper auf dem Kristallkeim durch die Verfestigung der Schmelze, aus der der Schmelzfilm besteht, aufwächst, dadurch gekennzeichnet, daß das Formgebungsteil eine horizontale obere Endoberfläche aufweist, die durch eine oder mehrere sich nach unten erstreckende Kantenflächen begrenzt ist und im wesentlichen gleich der vorgegebenen Querschnittsfläche ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontale Oberfläche durch scharfe Kanten begrenzt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11. dadurch gekennzeichnet, daß die horizontale Oberfläche im wesentlichen eben, konkav oder konvex ist.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Formgebungsteil vom Boden des Tiegds abgestützt ist.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1(1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel durch eine Deckplatte bedeckt ist und daß das Formgebungsteil sich durch und über die Deckplatte hinaus erstreckt.