DE19622659C2 - Vertikalofen zur Züchtung von Einkristallen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Vertikalofen zur Züchtung von Einkristallen unter Druck, der zum Züchten von Einkristallen der II-IV Komponenten (Verbindungs) Halbleiter, wie ZnSe, CdTe und Zn, oder der III-V Komponenten (Verbindungs) Halbleiter, wie InP, GaP und GaAs, geeignet ist.

Für das Züchten von Einkristallen der II-IV Komponenten Halbleiter oder der III-V Komponenten Halbleiter wurden der flüssigkeitsgekapselte Czochralski Prozeß, der horizontale Bridgman Prozeß, der vertikale Bridgman Prozeß, der vertikale Temperaturgradienten Gefrierprozeß und dergleichen eingesetzt.

Aus der DE 26 53 414 ist ein Kristallisationsofen bekannt, in dem Heizringe mittels einer Heizungsregelungseinrichtung den Aufbau eines Wärmeprofils im inneren eines Raumes oder Kernrohres ermöglichen, wobei jeder Widerstandsring unabhängig von den anderen betrieben wird.

Auch aus der japanischen Offenlegungsschrift JP 05-139 878 ist ein Kristallisationsofen mit einzelnen Heizringen bekannt, die beabstandet von und um einen Behälter angeordnet sind, wobei ein Kühlelement mit Sensor an dem unteren Bereich des konischen zulaufenden Bodens des Behälters zur Steuerung des Wärmeverlaufs in dem Behälter vorgesehen ist.

Die japanische Patent Offenlegungsschrift Nr. Sho 63-174293 beschreibt ein Beispiel eines Czochralski Prozesses, bei dem ein Kernrohr 62 an einem Zentralabschnitt eines Ofengehäuses 61 angeordnet ist und dieses durchdringt, wie in Fig. 6 gezeigt ist. An der Umfangsfläche des Kernrohrs 62 ist ein Heizofen 64 vorgesehen, der mit sechs Heizelementen 63 ausgestattet ist, die ein aus Graphit gefertigtes Widerstandsheizelement aufweisen.

Durch individuelle Regelung der Versorgung jedes Heizelements 63 wird ein beheizter Bereich mit einer in Axialrichtung des Kernrohrs 62 gegebenen Temperaturverteilung erzeugt, um Rohmaterial 66 zur Kristallzüchtung im in dem beheizten Bereich angeordneten Tiegel 65 zu erhitzen, woraufhin ein Prozeß zum Züchten eines Einkristalls 67 aus der Schmelzlösung des Rohmaterials eingeleitet wird.

Wie in Fig. 7 gezeigt ist, ist der exotherme Abschnitt des Heizelelements 63 als eine zylindrischen Doppelwendel ausgebildet, und ein Paar Montagebohrungen 63b und zwei Sätze Nuten 63c, 63d sind an dem unteren Flansch 63a des untersten Heizelements 63 ausgebildet. Dann werden die jeweiligen oberen Enden von stabförmigen Führungselektroden 68, 68, die sich vom Boden erstrecken, an den Montagebohrungen 63b befestigt und elektrischer Strom wird durch diese Führungselektroden 68, 68 zugeführt. Gleichzeitig ist das Heizelement 63 mit diesen Führungselektroden 68, 68 abgestützt.

In einem Paar Montagebohrungen 63b, 63b, die an einem gleichen unteren Flansch 63a am zweituntersten Heizelement 63 ausgebildet sind, gleich dem Flansch, wie er am zuvor beschriebenen untersten Heizelement ausgebildet ist, sind an dem jeweiligen oberen Ende Führungselektroden 68, 68 befestigt, die die Nuten 63c, 63c des untersten Heizelements 63 durchdringen und sich von unten erstrecken.

Ferner ist in einem unteren Flansch 63a des drittuntersten Heizelements, der dem zuvor beschriebene Flansch gleicht, ein Paar Montagebohrungen 63b, 63b ausgebildet, in denen jeweils obere Enden von Führungselektroden befestigt sind, die die Nuten 63d, 63d des zweituntersten Heizelements 63 durchdringen und sich nach oben erstrecken.

Wie in Fig. 6 gezeigt ist, passiert jede der Führungselektroden 68, 68 den Ofenboden 61a des Ofengehäuses 61 in abdichtender Weise, um dann nach außen gezogen zu werden. Hier sind die drei Heizelemente 63, 63, 63 der oberen Hälfte derart ausgebildet, daß die oben beschriebene Struktur vertikal invertiert ist, und daß die Führungselektroden 68, 68 den Ofendeckel 61b des Ofengehäuses 61 in abdichtender Weise durchdringen, um dann nach außen gezogen zu werden.

Die oben beschriebenen einzelnen Führungselektroden 68 sind auf dem gleichen Umfang angeordnet, und durch die oben gezeigte Gestaltung der durch die Führungselektroden 68 abzustützenden Heizelemente 63 wird der Gesamtaufbau vereinfacht.

Unter den verschiedenen einzelnen Produktionsverfahren für Einkristalle, können das vertikale Bridgman Verfahren (VB- Verfahren) und das vertikale Temperaturgradienten Gefrierverfahren (VGF-Verfahren) vergleichsweise große und hoch qualitative Einkristalle mit einer geringen Versetzungsdichte liefern. Folglich ist auf diese Verfahren als industrielle Verfahren eine große Erwartung gerichtet.

In den zuvor beschriebenen Öfen für das VGF-Verfahren und das VB-Verfahren ist eine Mehrzahl Heizelemente vertikal angeordnet. Durch Einstellen der Leistungsversorgung der Heizelemente soll ein solcher Temperaturgradient in dem das Rohmaterial enthaltenden Tiegel erzeugt werden, daß ein oberer Abschnitt des Tiegels eine Temperatur hat, die den Schmelzpunkt des Rohmaterials übersteigt, während die Temperatur am unteren Abschnitt graduell unter dem Schmelzpunkt sein sollte. Durch graduelles Abkühlen und Verfestigen des geschmolzenen Rohmaterials in Lösung vom Boden her, kann ein Einkristall gezüchtet werden. Folglich ist es bedeutsam, eine gewünschte vertikale Temperaturverteilung zu schaffen. Wie zuvor beschrieben wurde, ist dazu eine Mehrzahl Heizelemente vertikal angeordnet, deren Leistungsversorgung unabhängig regelbar ist.

Für GaAs und ZnSe, deren Komponenten während des Einkristallwachstums dissoziieren können, wird ein Hochdruck- Inertgas in das Ofengehäuse aufgegeben, um die Dissoziierung zu unterdrücken und das Verfahren zur Züchtung von Einkristallen durchzuführen.

Bei der vorgenannten Einkristallzüchtung in einer inaktiven Hochdruckgas-Atmospäre kann jedoch eine gewünschte Temperaturverteilung nachteiligerweise nicht einfach erzeugt werden, und zwar wegen der Effekte natürlicher oder freier Konvektion des Hochdruckgases im Ofen, auch wenn die Leistungsversorgung eingestellt wird, indem eine große Anzahl Heizelemente parallel und vertikal angeordnet werden.

Beispielhaft ist ein Aufbau geschildert, in dem der gleiche Ofen, der als Heizofen 64 in der japanischen Patent Offenlegungsschrift Nr. Sho 63-174293 beschrieben ist, in ein abgedichtetes, mit einem Hochdruckgas zu befüllendes Ofengehäuse eingesetzt ist, wobei die Wärmemenge über den Gasfluß natürlicher Konvektion zur oberen Stirnwand des Ofengehäuses geführt wird. Die zum Ofengehäuse geführte, und darin dispergierte Wärmemenge steigt an, wenn der Druck des dem Ofengehäuse zugeführten Gases ansteigt, infolge des Anstiegs der natürlichen Konvektion. Folglich ist, selbst wenn die Heizzone jedes Heizelements auf eine vorbestimmte Temperatur geregelt wird, der Wärmeübergang zwischen den Heizzonen über natürliche Konvektion derart angehoben, daß es schwierig ist, eine vorgegebene Temperaturverteilung stabil zu erzeugen. Wenn die Stromversorgung zu einen Heizelement entsprechend einer Abweichung von der vorgegebenen Temperatur varriert, um die abgegebene Wärme vom Heizelement zu verändern, beeinflußt die Änderung beispielsweise ein angrenzendes Heizelement, so daß die Stromversorgung zu diesem angrenzenden Heizelement geändert wird. Wegen solcher Wechselwirkungen kann die Regelung nicht auf stabile Weise durchgeführt werden und bewirkt eine Temperaturschwankung.

Wenn die Temperatur im Schmelzpunktbereich während des Einkristallwachstums schwankt, insbesondere, wenn die Grenzfläche des Einkristallwachstums schwankt und eine Wiederholung von Wiederaufschmelzen und Wiederverfestigen hervorruft, steigt die Anzahl der Kristalldefekte zu stark an.

In diesem Zusammenhang ist es folglich wünschenswert, daß der Temperaturgradient in der Nähe des Schmelzpunktbereichs so genau wie möglich sein sollte, um die Schwankung oder Abweichung der Grenzfläche des Einkristallwachstums so deutlich wie möglich zu vermindern, auch wenn die Temperaturschwankungen auftreten.

Es war jedoch wegen der Wechselwirkung zwischen benachbarten Heizelementen im Aufbau herkömmlicher Heizöfen sehr schwierig, einen solchen genauen Temperaturgradienten zu bilden und den Gradienten auf stabile Weise aufrecht zu erhalten. Folglich war es ziemlich schwierig, einen hochqualitativen Einkristall zu erzeugen, der eine hinreichend geringe Dichte von Kristallfehlern aufweist.

Weil einzelne Heizelemente strukturell von einem Paar stabförmiger Führungselektroden in einem Ofen mit der gleichen Struktur, wie der in der japanischen Patent Offenlegungsschrift beschriebene Heizofen 64, abgestützt sind, kann ein solcher Aufbau ferner nicht für ein größeres Heizelement verwendet werden, das nicht von von einem Paar Führungselektroden stabil abgestützt werden kann, obwohl dieser Aufbau auf kleinbauende Heizelemente mit einem Durchmesser von einigen Zentimetern oder weniger anwendbar ist. Folglich können nachteiligerweise nur Einkristalle mit kleinen Abmessungen erzeugt werden.

Angesichts der vorgenannten Schwierigkeiten herkömmlicher Systeme ist es Aufgabe der Erfindung, einen Vertikalofen für die Züchtung von Einkristallen zu schaffen, bei dem die vertikale Temperaturverteilung in einem Ofen unter Druck genau regelbar ist.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Vertikalofen für die Züchtung von Einkristallen zu schaffen, in dem Einkristalle größeren Maßstabs züchtbar sind, und in dem zusätzlich leicht dissozierbare Verbindungskristalle züchtbar sind.

Anspruchs 1 und mit einem Ofen mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.

In dem erfindungsgemäßen Vertikalofen zur Züchtung von Einkristallen wird vorzugsweise ein inaktives Gas beispielsweise durch den Gaszuführ- und abführpfad in das Ofengehäuse zugeführt, und der isolierende Zylinder ist in dem Ofengehäuse angeordnet, auch wenn das Heizen in einer Hochdruckgas-Atmosphäre durchgeführt wird. Folglich haftet der durch natürliche Konvektion hervorgerufene Gasstrom nicht an der Wandfläche des Ofengehäuses, wodurch die Wärmeausbreitung von der Innenseite des isolierenden Zylinders unterdrückt ist und die natürliche Konvektion nachfolgend unterdrückt ist. Ferner kann die natürliche Konvektion zwischen den einzelnen Heizelementen mittels der ringförmigen Heizerbefestigungsplatten zur Befestigung der Heizer unterdrückt werden und ferner können die Heizerbefestigungsplatten die Wärmestrahlung von einem benachbarten Heizelement abschirmen. Folglich kann die Temperaturregelbarkeit der Heizzone jedes Heizelements verbessert werden. Weil die einzelnen Heizelemente unabhängig auf den an der Bodenwandung des Ofengehäuses abgestützten Heizerbefestigungsplatten angebracht sind, können die Heizelemente in stabilem Zustand gehalten werden, auch wenn die Heizelemente größer sind.

Ein Schutzrohr für ein Thermoelement (Thermopaar) zum Erfassen der Temperatur jedes Heizelements kann vertikal einen inneren Abschnitt des Heizelements auf der Heizerbefestigungsplatte durchdringen, um dann daran abgestützt zu sein.

Durch einen solchen Aufbau können Heizelemente in einer vorgegebenen Position sicher gehalten werden, ohne daß ein Verbiegen des oberen freien Endes des Schutzrohrs auftritt.

Eine Kammer aus einem luftdichten Material zum Umschließen des Rohmaterialbehälters kann an einem inneren Abschnitt der Heizerbefestigungsplatten und der einzelnen Heizelemente vorgesehen sein, und dann kann eine Luftöffnung an der Unterseite der Kammer vorgesehen sein, die die Innenseite und die Außenseite der Kammer miteinander verbindet.

Wenn ein in dem Rohmaterialbehälter innerhalb der Kammer zu erhitzendes Rohmaterial eine schnell disoziierende Substanz ist, fällt der bei der Dissoziierung entstehende Dampf zur unteren Luftöffnung in der Kammer hinab. Mit der zuvor beschriebenen Struktur kann der Dampf an einem Abschnitt der Luftöffnung unterhalb und getrennt von dem beheizten Bereich abgelagert werden, indem der Abschnitt in einem Zustand niedriger Temperatur gehalten wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt, der den Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines Vertikalofens für das Züchten von Einkristallen zeigt.

Fig. 2 ist eine Perspektivansicht einer Heizerbefestigungsplatte eines in dem Vertikalofen für das Züchten von Einkristallen angeordneten Heizofens,

Fig. 3 ist ein schematischer Längsschnitt, der den Aufbau eines anderen Ausführungsbeispiels eines Vertikalofens für das Züchten von Einkristallen zeigt,

Fig. 4(a) zeigt einen schematischen Längsschnitt eines Vertikalofens für ein Heißverfahren, der, als ein weiteres Ausführungsbeispiel, als Ofen für das Züchten von Einkristallen konfiguriert ist,

Fig. 4(b) ist ein Graph, der die Temperaturverteilung in dem in Fig. 4(a) gezeigten Vertikalofen während des Vorgangs der Einkristallzüchtung zeigt,

Fig. 5(a) zeigt einen schematischen Längsschnitt eines Ofens für ein Heißverfahren, der, als ein anderes Ausführungsbeispiel, als keramischer Sinterofen ausgeführt ist,

Fig. 5(b) zeigt einen Graph, der die Temperaturverteilung in dem Ofen gemäß Fig. 5(b) beim Sintern zeigt,

Fig. 6 ist ein schematischer Längsschnitt, der den Aufbau eines herkömmlichen Ofens für das Züchten von Einkristallen zeigt, und

Fig. 7 ist eine Perspektivansicht, die den Aufbau des Heizofens des Produktionsofens gemäß Fig. 6 zeigt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 wird ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Ofen für die Züchtung vor. Einkristallen des vertikalen Bridgman-Typs im Hochdruck, wobei ein isolierender Zylinder 2 in der Form eines umgestülpten Glases mit geschlossenem oberen Ende längs der Innenfläche eines abgedichteten Ofengehäuses bzw. Druckbehälters 1 angeordnet ist, der als Ofengehäuse mit einer druckfesten Struktur dient. Der Druckbehälter 1 besteht aus einem Druckbehälterkörper 3 mit zylindrischer Form mit geschlossenem Deckel und einem Bodenverschluß 4, der als Bodenwand die untere Öffnung des Behälters bedeckt. Der Bodenverschluß 4 ist mit dem Druckbehälterkörper 3 lösbar und, mittels des Dichtrings 5, in abdichtender Weise verbunden. Der isolierende Zylinder 2 ist am Umfang an dem Bodenverschluß 4 befestigt.

Eine Hubstange 6 durchdringt den Zentralabschnitt des Bodenverschlusses 4, um dann mit dem Abschnitt verbunden zu sein. Die Hubstange 6 ist mittels eines Dichtrings 7 dichtend und in einer frei anhebbaren Weise angeordnet. An der Spitze der Hubstange 6 ist eine Tiegel-Halteplatte (Stützelement) 8 befestigt und auf der Halteplatte 8 ist ein Tiegel 9 stehend plaziert und gehalten. Der Tiegel ist beispielsweise aus p-BN und sein Bodenabschnitt ist mit einem kleinen Rohrabschnitt 9a versehen, in den ein Saatkristall eingeführt ist. Ein Rohmaterial für die Einkristallzüchtung ist auf dem kleinen Rohrabschnitt 9a plaziert.

Eine sich abwärts erstreckende Kammer 11, in Form eines umgestülpten Glases und aus gasundurchlässigem Material, ist ferner sich längs der Oberseite des Tiegels 9 bis zur oberen Fläche des Bodenverschlusses 4 erstreckend angeordnet, um den Tiegel 9 zu umschließen, und ein Heizofen 12 zum Heizen des Tiegels 9 durch die Kammer 11 ist im Raum zwischen der Kammer 11 ,und dem isolierenden Zylinder 2 angeordnet. Die Kammer 11 besteht aus hitzebeständigem Material, das gasundurchlässig ist, wie ein Metall mit hohem Schmelzpunkt, z. B. Molybdän, Keramik oder spezielle Kohlenstoffmaterialien, wie Kohlenstoff mit einem Überzug aus pyrolytischem, Graphit und glasartigem Kohlenstoff.

Der Heizofen 12 eine Heizertragplatte 14, die mit einer Tragestange 13 auf dem Bodenverschluß 4 befestigt ist und einen Heizerbefestigungssockel 15, der auf der Heizertragplatte 14 befestigt ist. Der Heizerbefestigungssockel 15 hat eine Käfigstruktur, wobei vier Heizerbefestigungsplatten 16, 16 vertikal in einem vorbestimmten Abstand mittels einer Verbindungsstange 17 miteinander verbunden sind. Diese Heizerbefestigungsplatten 16, 16 und die Verbindungsstange 17 bestehen beispielsweise aus Graphit mit einer ausreichenden Festigkeit bei höheren Temperaturen. Auf den einzelnen Heizerbefestigungsplatten 16 sind einzelne Heizelemente 18, 18 mittels Isolatoren 19, 19 befestigt.

Fig. 2 zeigt ein Heizelement 18 auf der obersten Stufe. Das Heizelement 18 hat eine nahezu zylindrische Form, und längswellenförmige Schlitze 18a, 18a sind gleichmäßig aus der gesamten zylindrischen Wand ausgeschnitten. An dem gesamten unteren Umfang ist ein sich seitlich erstreckender Flanschabschnitt 18b ausgebildet, und an einer vorbestimmten Stelle des Flanschabschnitts 18b ist ferner ein Paar Elektrodenbefestigungsabschnitte 18c, 18c ausgebildet, die sich seitlich erstrecken, wobei die Elektrodenbefestigungsabschnitte einander benachbart sind und den Schlitz 18a zwischen sich einschließen.

In die Elektrodenbefestigungsabschnitte 18c, 18c sind stabförmige Führungselektroden 21, 21, die beispielsweise aus Graphit gefertigt sind, von unten eingeführt, und die Führungselektroden sind mit aus Graphit gefertigten Muttern 22, 22 befestigt. Beim Zuführen von Leistung (Strom) durch die Führungselektroden 21, 21 fließt elektrischer Strom längs der Schlitze 18a, 18a zu der zylindrischen Wand, um Wärme zu erzeugen. Ferner haben die anderen Heizelemente 18, 18 den gleichen Aufbau, wie oben beschrieben.

Wie in der Figur gezeigt ist, sind die einzelnen Heizerbefestigungsplatten 16, 16 des Heizerbefestigungssockels 15 ringförmig ausgebildet, und der äußere Durchmesser ist auf eine größere Größe festgelegt, als die des Flanschabschnitts 18b des Heizelements 18, während der innere Durchmesser auf eine etwas größere Größe festgelegt ist, als der Außendurchmesser der Kammer 11. Die Heizerbefestigungsplatten 16, 16 sind miteinander mittels drei vertikalen Durchsteck-Verbindungstangen 17 außerhalb des Flanschabschnitts 18b verbunden.

Auf der Heizerbefestigungsplatte 16 auf der obersten Stufe sind drei Heizerbefestigungslöcher 16a, 16a zum Befestigen des Heizelements 18 von der Unterseite mittels Befestigungsbolzen (nicht gezeigt) an Positionen mit drei gleichen Intervallen auf dem gleichen Umfang vorgesehen, um das Heizelement 18 auf der Heizerbefestigungsplatte 16 zu plazieren. Ferner ist ein Paar erster Führungselektroden-Durchgangslöcher 16b₁, 16b₁, auf einem Umfang ausgebildet, auf dem ebenfalls die einzelnen Verbindungsstangen 17, 17 auf der Seite des Außenumfangs ausgebildet sind, während ein Durchgangsloch 16c des Thermoelement-Schutzrohres auf der Seite des Innenumfangs ausgebildet ist.

Auf den drei Heizerbefestigungsplatten 16 unterhalb der Heizerbefestigungsplatte 16 der obersten Stufe sind jeweils Heizerbefestigungslöcher 16a, 16a, ein Paar erster Führungselektroden-Durchgangslöcher 16b₁, 16b₁, und ein Durchgangsloch 16c des Thermoelement-Schutzrohres auf der gleichen Achse ausgebildet. Wenn das Heizerelement 18 auf der obersten Stufe an der Heizerbefestigungplatte 16 auf diese Weise befestigt ist, passieren die Führungselektroden 21, 21, deren oberen Enden an dem Heizerelement 18 befestigt sind, die ersten Führungselektroden-Durchgangslöcher 16b₁, 16b₁, in den Heizerbefestigungsplatten 16, 16, um sich abwärts zu erstrecken.

In den folgenden drei Heizerbefestigungplatten 16, 16 ist jeweils ein Paar zweiter Führungselektroden-Durchgangslöcher 16b₂, 16b₂ auf den gleichen Umfangspositionen, versetzt zu den ersten Führungselektroden-Durchgangslöchern 16b₁, 16b₁, ausgebildet. In den weiter folgenden zwei Heizerbefestigungsplatten 16, 16 sind zusätzlich dritte Führungselektroden-Durchgangslöcher ausgebildet, während ferner vierte Führungselektroden-Durchgangslöcher 16b₄, 16b₄ in der Heizerbefestigungsplatte der untersten Stufe ausgebildet sind; diese Löcher sind jedoch in der Figur nicht dargestellt.

Wie zuvor beschrieben wurde, passiert, wenn ein Heizelement (nicht dargestellt) auf der zweiten Heizerbefestigungsplatte 16 von oben angebracht wird, ein Paar Führungselektroden, deren obere Enden an der Platte befestigt sind, zweite Führungselektroden-Durchgangslöcher 16b₂, 16b₂ und erstreckt sich abwärts; die Führungselektrode des Heizelements auf der dritten Heizerbefestigungsplatte 16 von oben passiert die dritten Führungselektroden-Durchgangslöcher der zwei Heizerbefestigungsplatten 16, 16 von unten; die Führungselektrode des Heizelements auf der Heizerbefestigungsplatte 16 auf der untersten Stufe passiert die vierten Führungselektroden- Durchgangslöcher 16b₄, 16b₄ in der Heizerbefestigungsplatte 16, um sich einzeln nach unten zu erstrecken.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind die einzelnen Führungselektroden 21 in Länge und Abmessung derart ausgebildet, daß deren untere Endabschnitte einen Isolator 23 passieren, der in den unteren Flanschabschnitt 14a der Heizertragplatte 14 eingesetzt und mit dieser in Eingriff ist, um den Boden zu erreichen. In der unteren Platte 4 (Bodenverschluß 4) ist alternativ eine die untere Platte 4 durchdringende Metallelektrode 24 befestigt, die von einem Isolierenden Dichtring 25 umgeben oder umwickelt ist. Der obere Endabschnitt der Metallelektrode 24, als Stromanschlußklemme, und der untere Endabschnitt der Führungselektrode 21 sind mittels eines flexiblen Metall-Leitungsdrahts 26 verbunden. Durch diesen Aufbau wird elektrische Leistung zum Heizen von der Außenseite den einzelnen Heizelementen 18, 18 zugeführt.

Am unteren Flanschabschnitt 14a der Heizertragplatte 14 ist ferner der untere Endabschnitt des Thermoelement-Schutzrohrs bzw. Schutzrohrs 27 befestigt. Das Thermoelement-Schutzrohr 27 ist derart ausgelegt, daß das Rohr die Durchgangslöcher 16c, 16c für das Thermoelement-Schutzrohr durchdringt, die jeweils in den Heizerbefestigungsplatten 16, 16 vorgesehen sind, und sich dann nach oben erstreckt. Vier Thermoelemente (Thermopaare) 28 zum Erfassen der Temperatur der Heizzone jedes Heizelements 18, 18 sind in das Thermoelement-Schutzrohr 27 eingeführt. In Abhängigkeit von den mittels dieser Thermoelemente 28 erfaßten Temperaturen wird die Leistungsversorgung (Stromzufuhr) zu den jeweiligen Heizelementen 18, 18 geregelt.

In der vorgenannten unteren Platte 4 (Bodenverschluß 4) ist ferner ein Gaszuführ- und abführpfad 31 ausgebildet, durch den ein inaktives Gas, wie Argon, in den Druckbehälter 1 gepreßt wird und durch den es dann wieder aus dem Behälter abgelassen wird. An den jeweiligen unteren Endseiten des isolierenden Zylinders 2 und der Kammer 11 sind jeweils Öffnungen 32, 33 in Form von Durchgangslöchern ausgebildet, die unabhängig die von dem Zylinder und der Kammer getrennten inneren und äußeren Räume miteinander verbinden.

Um eine Temperaturverteilung zu erzeugen, bei der die Temperatur auf einer größeren Höhe in der Kammer in dem Vertikalofen bzw. Ofen gemäß des vorbeschriebenen Aufbaus für die Züchtung von Einkristallen höher ist, wird die Leistungsversorgung der Heizelemente 18 eingestellt. Durch Anheben der Hubstange 6, wodurch die Höhenlage des Tiegels bzw. Rohmaterialbehälters 9 in der Kammer 11 verändert wird, kann die Heiztemperatur verändert werden, um Einkristalle zu züchten.

Um unter Verwendung des zuvor beschriebenen Ofens beispielsweise einen ZnSe Einkristall zu erzeugen, wird ein stabförmiger ZnSe Saatkristall 10 in den kleinen Rohranschnitt 9a des Tiegels 9 eingeführt, gefolgt von einer Zufuhr einer kleinen Menge polykristallinen ZnSe dazu.

Dann wird der Bodenverschluß 4 des Druckbehälters 1 geöffnet, um den Tiegel 9 auf der Tiegelhalteplatte 8 zu plazieren, die Kammer 11 und den isolierenden Zylinder 2 auf den Bodenverschluß 4 aufzusetzen, wonach der Bodenverschluß 4 geschlossen wird. Danach wird die Luft über den Gaszuführ- und abführpfad 31 aus dem Druckbehälter 1 abgezogen und dann wird Argon z. B. mit einem Druck von 5 kgf/cm² in den Behälter zugeführt, um die Atmosphäre in dem Behälter durch das Gas zu ersetzen.

Dann wird Argon mit 50 kgf/cm² in den Behälter eingeführt und den Heizelementen 18, 18 Heizleistung zugeführt, die zu vorgegebenen Temperaturverteilung zu bringen. Danach wird die Hubstange 6 betätigt, um den Tiegel 9 anzuheben, wobei der obere Abschnitt des Tiegels 9 auf 1550°C - über den Schmelzpunkt vom 1520°C - erhitzt wird und der untere Abschnitt des Tiegels 9 auf 1510°C erhitzt wird, so daß der Saatkristall 10 ungeschmolzen bleibt und das ZnSe-Rohmaterial in dem Tiegel 9 schmilzt.

Dann wird der Tiegel 9 mit einer Abstiegsrate von 3 mm/h über einen Temperaturgradienten von 20°C/cm herabgezogen. Mit diesem Verfahren kann ein ZnSe-Einkristall in dem Tiegel 9 gezüchtet werden.

Während eines solchen Verfahrens der Kristallzüchtung ist, weil isolierende Zylinder 2 in dem Druckbehälter 1 des zuvor beschriebenen Ofens angeordnet ist, das durch natürliche Konvektion aufsteigende Hochdruckgas nicht mit der Wandfläche des Hochdruckbehälters in Kontakt, wodurch die Abfuhr von Wärme von der Innenseite des isolierenden Zylinders 2 unterdrückt ist und die natürliche Konvektion folglich unterdrückt ist. Die ringförmigen Heizerbefestigungsplatten 16, 16, die die einzelnen Heizelemente 18, 18 halten, unterdrücken die natürliche Konvektion zwischen einzelnen Heizelementen 18, 18; ebenso arbeiten die Heizerbefestigungsplatten 16, 16 als Schilde gegen die Wärmestrahlung benachbarter Heizelemente 18. Folglich ist die Temperaturregelbarkeit der Heizzone durch jedes Heizelement verbessert, wodurch das Innere der Kammer 11 genau auf eine gewünschte Temperaturverteilung geregelt werden kann.

Weil die einzelnen Heizelemente 18, 18 unabhängig auf Heizerbefestigungsplatten 16, 16, angeordnet sind, die am Bodenverschluß 4 gehalten sind, können ferner Heizelemente 18 mit einer größeren Größe abgestützt und stabiler gehalten werden, so daß die Züchtung eines Einkristalls mit einer größeren Kristallgröße möglich ist.

Ferner durchdringt das obere Ende des Thermoelement-Schutzrohrs 27 bei dem zuvor beschriebenen Ofen jede der einzelnen Heizerbefestigungsplatten 16, 16, um an den Heizerbefestigungsplatten 16, 16 gehalten zu sein, so daß das Schutzrohr 27 an einer vorgebenen Position fixiert werden kann, ohne daß eine Verbiegung oder Auslenkung des oberen Endes des Schutzrohrs 27 auftritt.

Folglich kann die Temperatur jeder Heizzone durch das Thermoelement 28 (Thermopaar) geeignet erfaßt werden, wodurch die vertikale Temperaturverteilung genau geregelt werden kann.

Bei dem Ofen ist das obere Ende jeder sich vertikal innerhalb des isolierenden Zylinders 2 erstreckenden Führungselektrode 21 am Heizelement 18 befestigt, während das untere Ende über einen flexiblen Metall-Leitungsdraht 26 mit einer Metallelektrode 24 bzw. Stromversorgungsanschluß verbunden ist. Folglich sind diese Führungselektroden 21 in einem sogenannten hängenden Zustand montiert. Folglich wird, auch wenn sich die Abmessungen der Führungselektrode 21 in Längsrichtung durch die Wärmedehnung beim Heizen verändern, keine Kraft auf das Heizelement aufgebracht. Folglich kann das Heizelement 18 auf stabile Weise angebracht werden und so gehalten bleiben wie es ist.

Während eines Vorgangs der Züchtung von Einkristallen, der ein Aufheizen des Rohmaterials auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts von ZnSe und einen Temperaturabfall enthält, schreitet die Dissoziation des Rohmaterials allmählich graduell während des Temperaturanstiegs fort. Der Dampf von der Dissoziation fällt zur Öffnung 33 in der Kammer 11 hinab. Weil die Öffnung 33 an einem Abschnitt unterhalb und getrennt von der Heizzone mit dem Heizelement 18 ausgebildet ist, kann der Dampf auf dem Abschnitt abgelagert werden, indem der Abschnitt im Zustand niedrigerer Temperaturen gehalten wird. Weil kein Dampf mit dem Heizofen 12 oder dergleichen außerhalb der Kammer 11 in Kontakt ist, kann folglich das Auftreten von Kurzschlüssen verhindert werden. Wenn der Ofen völlig mit verteiltem Dampf verunreinigt ist, können aufwendige Arbeiten für die Wartung erforderlich sein, wie Zerlegen der Inneneinbauten des Ofens und deren Reinigung. In dem vorliegenden Ofen wird eine solche Verteilung des Dampfes in dem gesamten Ofen jedoch unterdrückt, wodurch die Wartungsarbeit vereinfacht wird, und dadurch die Produktivität (Wirkungsgrad der Produktion) verbessert wird. Folglich ist der Ofen sehr gut bei der industriellen Produktion von Einkristallen von II-IV Komponenten (Verbindungen) und von III-V Komponenten (Verbindungen) einsetzbar.

Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben. Zur Vereinfachung der Beschreibung sind mit Teilen des ersten Ausführungsbeispiels funktionsgleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, um die Beschreibung kürzer zu fassen.

Fig. 3 zeigt einen Vertikalofen zur Züchtung von Einkristallen gemäß des vertikalen Temperaturgradienten-Gefrierverfahrens (VGF-Verfahren) in diesem Ausführungsbeispiel. In dem Ofen ist die untere Öffnung des Druckbehälterkörpers 1 von zwei Elementen bedeckt, nämlich einem ringförmigen Bodenverschluß 4a und einem inneren Bodenverschluß 4b, der von unten eingeführt ist, um die zentrale Öffnung des ringförmigen Bodenverschlusses 4a zu verschließen.

An dem ringförmigen Bodenverschluß 4a ist ein Heizofen mit nahezu dem gleichen Aufbau wie im ersten Ausführungsbeispiel befestigt und eine Tiegelhalteplatte 8 zum Positionieren des Tiegels 9 ist zusammen mit der die Platte umschließenden Kammer 11 auf dem Bodenverschluß 4a plaziert. Ferner ist ein Thermoelement- Schutzrohr 27 (Thermopaar-Schutzrohr) an dem inneren Bodenverschluß 4b angebracht und befestigt. Für das VGF-Verfahren sollte eine Temperaturverteilung, bei der der untere Abschnitt eine niedrigere Temperatur hat und der obere Abschnitt eine höhere Temperatur hat, aufrechterhalten werden, wenn die Gesamttemperatur angehoben oder abgesenkt wird. Weil eine präzisere Temperaturregelung erforderlich ist, ist der Heizofen dieses Ausführungsbeispiels mit sieben Heizelementen 18, 18 ausgestattet, so daß der Heizofen 12 sieben Heizzonen aufweist, was mehr sind als im ersten Ausführungsbeispiel.

Bei diesem Aufbau können, durch einfaches Herabziehen des inneren Bodenverschlusses 4b, um den mit Rohmaterial beladenen Tiegel 9 in dem Ofen zu plazieren, um den Einkristall nach der Produktion herauszunehmen oder um ein Thermoelement auszuwechseln, die Kammer 11 und dergleichen entfernt werden, so daß der Ofen in Betrieb sein kann während der Heizofen 12 und dergleichen auf dem ringförmigen Bodenverschluß 4a in dem Druckbehälter 1 verbleiben; mit Ausnahme der Zeit für Wartungsarbeiten. Somit ist die Betriebsweise erheblich verbessert.

Ein weiters Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 4(a) und 4(b) beschrieben. Zur Vereinfachung der Beschreibung sind mit Teilen des ersten Ausführungsbeispiels funktionsgleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen, um die Beschreibung kürzer zu fassen.

Fig. 4(a) ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ofens für die Züchtung von Einkristallen nach dem vertikalen Bridgman Verfahren (VB-Verfahren). Der Druckbehälter 1 des Ofens hat einen zylindrischen Behälterkörper 1a, einen oberen Verschluß 1b, der die obere Öffnung verschließt, und einen unteren Verschluß 1c, der in der unteren Öffnung entfernbar in dichtender Weise angeordnet ist.

Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist deutlich darin unterschiedlich, daß die Abstände zwischen einem Paar Heizelemente 18, 18 des Heizofens in Abhängigkeit des Paars variieren, und daß Isoliermaterialien 34a bis 34c zwischen Heizelementenpaaren 18, 18 angeordnet sind, um die unabhängige Temperaturregelbarkeit in jeder Zone zu verbessern.

Wie zuvor beschrieben, ist der Heizofen 12 genauer gesagt, mit beispielsweise 4 zylindrischen Heizelementen 18a bis 18d in vertikaler Richtung und mit ringförmigen Isoliermaterialien 34a bis 34c zwischen einem Paar dieser individuellen Heizelemente versehen (nachfolgend bezeichnet als: erstes Heizelement 18a, zweites Heizelement 18b, drittes Heizelement 18c, viertes Heizelement 18d), während ein unteres Isoliermaterial 35 zwischen dem vierten Heizelement 18d und dem unteren Verschluß 1c angeordnet ist. Ferner sind einzelne zylindrische äußere Isoliermaterialien 36a bis 36d vorgesehen, um die Außenflächen der einzelnen Heizelemente 18a bis 18d zu bedecken.

Die einzelnen Isoliermaterialien 34a bis 34c zwischen den Heizelementen, die die einzelnen Heizelemente 18a bis 18d in vertikaler Richtung unterteilen, sind so geformt, daß die Innenumfangsfläche der Isoliermaterialien möglichst nahe an der Außenumfangsfläche der Kammer 11 ist, so daß die Isoliermaterialien in Durchmesserrichtung weiter nach innen vorstehen, als die einzelnen Heizelemente 18a bis 18d. Auch die Dicke in vertikaler Richtung sollte für den Abstand zwischen den einzelnen Heizelementenpaaren 18a bis 18d passend gemacht sein, so daß die jeweiligen oberen und unteren Flächen so nahe wie möglich an den oberen und unteren Enden der Heizelemente 18a bis 18d sind.

Von den drei Isoliermaterialien 34a bis 34c ist das mittlere Isoliermaterial 34b zwischen den Heizelementen (nachfolgend als spezifisches Isoliermaterial bezeichnet) geeignet so geformt, um auf etwa mittlerer Höhe innerhalb des Druckbehälters 1 angeordnet zu werden, während das Isoliermaterial 34b eine Dicke hat, die größer ist, als die der oberen und unteren Isoliermaterialien zwischen den Heizelementen 34a, 34c.

Wie in Fig. 4(b) genauer gezeigt ist, wird das nachfolgend beschriebene Verfahren zur Züchtung von Einkristallen durchgeführt, während eine Temperaturverteilung eigestellt wird, die einen steilen Temperaturgradienten A_G etwa in der Mitte der Längserstreckung der Temperaturverteilung hat. In dem oberen Abschnitt oberhalb des Temperaturgradientenbereichs A_G herrscht eine Temperatur A₁, die höher ist als der Schmelzpunkt des im Wachstum begriffenen Einkristalls, während im unteren Abschnitt eine etwa konstante Temperatur A₂ herrscht, die zum Beheizen eines Reservoirs 37 vorgewählt ist. Wenn das oberste Isoliermaterial 34a und das dritte Isoliermaterial 34c, die entsprechend in diesen Bereichen A₁ bzw. A₂ angeordnet sind, eine größere Dicke bekämen, könnte die Temperatur zwischen den Heizelementen fallen, so daß die zuvor beschriebenen konstanten Temperaturbereiche A₁ und A₂ nicht gewährleistet werden können. Folglich sollte, bei einer Verminderung des Abstands (Intervall) zwischen dem ersten und dem zweiten Heizelement 18a und 18b und des Abstands zwischen zwischen dem dritten und dem vierten Heizelement 18c und 18d, die Dicke der Isoliermaterialien abhängig vom Abstand bestimmt werden.

Ferner ist die Dicke des speziellen Isoliermaterials 34b zwischen den Heizelementen an einer Höhenposition, die dem Bereich des steilen Temperaturgradienten A_G entspricht, etwa entsprechend der vertikalen Ausdehnung des Bereichs A_G vorgewählt, und folglich hat das Isolierstück 34b eine Dicke die größer ist als die der verbleibenden, oben beschriebenen Isoliermaterialien 34a, 34c.

Das untere Isoliermaterial 35 ist so geformt, daß seine innere Umfangsfläche so nahe wie möglich an der Außenumfangsfläche der Kammer 11 ist. Ebenso hat die obere Fläche eine geeignete Form. so daß die obere Fläche dem Abstand zwischen dem vierten Heizelement 18d und dem unteren Verschluß 1c angepaßt ist. Im Unterschied dazu sind die einzelnen äußeren Isoliermaterialien 36a bis 36d so geformt, daß die inneren Umfangsflächen so nahe wie möglich an den äußeren Umfangsflächen der einzelnen Heizelemente 18a bis 18d sind. Für die zuvor beschriebenen Isoliermaterialien, nämlich 34a bis 34c, 35 und 36a bis 36d, sollten die geeigneten Materialien aus der folgenden Gruppe entnommen werden, abhängig von dem Atmosphärengas in dem Ofen und der Temperatur bei der der Ofen verwendet wird, wobei die Gruppe folgende keramische Materialien enthält: BN, SiC, Si₃N₄, AlN, Al₂O₃, SiO₂ und ZrO₂ oder Kohlenstoffmaterialien. Wie nachfolgend beschreiben, ist das Material Al₂O₃ (Aluminiumoxid) geeignet, wenn der Ofen mit einem inaktiven Gas, wie Argon, in einem Temperaturbereich von etwa 1200°C betrieben wird.

Die Vorgehensweise zur Anordnung der Isoliermaterialien 34a bis 34c zwischen den Heizelementen enthält auch das Anbringen eines keramischen Materials an der oberen oder unteren Fläche der Heizerbefestigungsplatte gemäß Ausführungsbeispiel 1 und 2 oder das Ausbilden der Heizerbefestigungsplatte selbst aus keramischem Material oder aus Kohlenstoffmaterial, wobei die Isoliermaterialien zwischen den Heizelementen geeignet angeordnet sind.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ferner ein Reservoir 37, rohrförmig und größerer Dicke, in dem unteren Abschnitt der Kammer 11 angeordnet, und das Reservoir 37 ist mit einer Zenntralbohrung versehen, durch die die Hubstange 6 hindurchgeht. In dem Reservoir 37 ist eine ringförmige Nut 37a ausgebildet, die sich von der Oberseite nach unten erstreckt, und ein Element 38 mit einem höheren Dissoziationsdruck ist in der ringförmigen Nut 37a anzuordnen.

Nachfolgend wird ein Verfahren zum Züchten eines GaAs- Einkristalls mittels des Ofens beschrieben.

Zuerst wird ein Saatkristall aus einem stabförmigen GaAs- Einkristall in den kleinen rohrförmigen Abschnitt 9a des Tiegels 9 eingebracht, worauf GaAs-Polykristalle (etwa 6 kg) als Rohmaterial zum Züchten des Einkristalls eingebracht werden. Zudem wurde eine angemessene Menge GaAs als Element 38 mit hohen Dissoziationsdruck in das Reservoir 37 eingebracht. Dann wurden der Tiegel 9, das Reservoir 37 und die Kammer 11 aus Molybdän wie in der Figur gezeigt in dem Druckbehälter 1 plaziert. Der Druckbehälter 1 wurde abgedichtet, wiederholt die Luftentnahme aus dem Inneren des Druckbehälters 1 durchgeführt, um das innere Vacuum und den inneren Austausch gegen Argon Gas durch den Gaszuführ- und abführpfad vorzubereiten, und Argon Gas wird in den Behälter bis zu einem Druck von etwa 2 kgf/cm² zugeführt.

Dann wird die Hubstange 6 in der oberen Grenzposition im vertikalen Bewegungsbereich gehalten, wodurch der Tiegel 9 auf eine Weise gehalten ist, daß der obere Abschnitt des kleinen rohrförmigen Abschnitts 9a ungefähr in mittiger Höhe des speziellen Isoliermaterials 34b zwischen den Heizelementen gehalten ist, wie dies in Fig. 4(a) gezeigt ist.

Danach, nach dem Einschalten der Stromversorgung der einzelnen Heizelemente 18a bis 18d und Anheben der Temperatur, während die Kammer 11 in einem solchen Temperaturverteilungszustand gehalten ist, daß die Temparatur an höheren Stellen höher ist, wurde die Stromversorgung (Leistungsaufnahme) der einzelnen Heizelemente 18a bis 18d geregelt, um schließlich die in Fig. 4(b) gezeigte Temperaturverteilung in der Kammer zu erzielen und aufrecht zu erhalten. Die vorgenannte Temperaturverteilung ist so, daß die Temperatur in einer in etwa mittigen Höhe des spezifischen Isoliermaterials 34b zwischen den Heizelementen dem Siedepunkt von GaAs (1238°C) entspricht, und daß ein steiler Temperaturgradientenbereich A_G mit einem Temperaturgradienten von nahezu 20°C/cm ungefähr in der Mitte des Schmelzpunktbereichs ausgebildet ist.

Durch Ausbilden einer solchen Temperaturverteilung und nachfolgendes Heizen, wird das Rohmaterial im Tiegel 9 geschmolzen, während der Saatkristall 10 im unteren Abschnitt unverändert erhalten bleibt, um eine Schmelzlösung aus Rohmaterial auf dem Saatkristall 10 auszubilden.

Durch Ausbilden eines Temperaturbereichs A₂ von etwa 618°C unter dem steilen Temperaturgradientenbereich A_G, wird das Element 38 mit hohem Dissoziationsdruck in dem Reservoir 37 auf diese Temperatur erwärmt, wodurch As-Dampf von etwa 1 Atom (1 atom) in dem Reservoir 37 erzeugt wird, was etwa dem Gleichgewichtsdampfdruck am Schmelzpunkt von GaAs entspricht. Folglich füllt der As-Dampf die Kammer 11.

In diesem Zustand wird die Hubstange dazu gebracht, sich mit einer Geschwindigkeit oder Rate von 1 mm/h abzusenken, wodurch die Schmelzlösung des Rohmaterials in dem Tiegel 9 aufeinanderfolgend den oberen Abschnitt und den Temperaturbereich des Schmelzpunkts passiert, um auf die Niedertemperaturseite überführt zu werden, wobei die Verfestigung in dem unteren Abschnitt in Berührung mit dem Saatkristall 10 einsetzt, um einen Einkristall zu züchten.

Während der Zucht von Einkristallen hat der vorliegende Ofen eine verglichen mit herkömmlichen Öfen bemerkenswert verbesserte Temperaturverteilung nahe dem Schmelzpunkt gezeigt. Die Regelung des Temperaturgradienten, insbesondere in der Wachstums- Grenzfläche, hatte eine Abweichung von ± 1 bis 2°C in herkömmlichen Öfen, während bei dem vorliegenden Ofen die Abweichung bei ±0.1°C liegt. Der Ausgang (output) der einzelnen Heizelemente 18a bis 18d ist stabil, ohne daß gewöhlich eine Abweichung beobachtet wurde.

Nach dem Verfestigen der gesamten Schmelzlösung des Rohmaterials in dem Tiegel 9 wird, um das Einkristallzüchten zu beenden, der elektrische Strom zu den einzelnen Heizelementen 18a bis 18d abgeschaltet und, wenn die Temperatur innerhalb des Ofens etwa 300°C beträgt, das Verfahren zum Ablassen von Argon Gas in dem Druckbehälter 1 aus dem Ofen wird durchgeführt. Wenn die Temperatur auf nahe Raumtemperatur abgenommen hat, wird der untere Deckel 1c abwärts bewegt, um den Druckbehälter 1 zu öffnen, und der Tiegel 9 wird herausgezogen, um den gezüchteten Kristall aus dem Tiegel zu entnehmen.

Mit dem zuvor beschriebenen Verfahren wurde ein GaAs-Einkristall mit einer Länge von etwa 250 mm gewonnen, der unter stabiler Regelung der Temperaturverteilung während des Wachstums des Einkristalls gewonnen wurde. Folglich war die Qualität des erhaltenen Einkristalls hervorragend und hatte weniger Kristalldefekte.

Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel stabilisiert die Anordnung der Isoliermaterialien 34a bis 34c zwischen den Heizelementen, des unteren Isoliermaterials 35 und der äußeren Isoliermaterialien 36a bis 36d an der Umfangsfläche der einzelnen Heizelemente 18a bis 18d die Temperaturverteilung während des Einkristallwachstums, wodurch ein hochqualitativer Einkristall produziert werden kann.

Geauer gesagt, weil die einzelnen Heizelemente 18a bis 18d mittels Isoliermaterialien 34a bis 34c voneinander getrennt sind, wodurch die Wärmestrahlung zwischen Heizelementen und die Wechselwirkung über Gaskonvektion unterdrückt sind, und weil der Raum zwischen den Heizelementen in den unterteilten Bereichen und dem isolierenden Zylinder 2 so klein wie möglich ausgebildet ist, kann die Wirkung der Gaskonvektion in den unterteilten Bereichen der einzelnen Heizelemente 18a bis 18d und in dem gesamten Ofen unterdrückt werden. Folglich kann die Unabhängigkeit der Regelbarkeit der einzelnen Heizelemente 18a bis 18d verbessert werden, wodurch die Temperaturabweichung deutlich unterdrückt werden kann.

Um Einkristalle wie oben beschrieben zu züchten, sollte insbesondere ein steilerer Temperaturgradientenbereich A_G in der Nähe des Schmelzpunkts ausgebildet werden als die herkömmlichen Temperaturgradienten. In anderen Worten, ein steilerer Temperaturgradient in der Nähe des des Schmelzpunkts vermindert stärker die Abweichung der Wachstumsgrenzfläche infolge der Temperaturabweichungen (Fluktuation). Wenn beispielsweise eine Temperaturabweichung von 0.5°C auftritt, beträgt die Abweichung der Wachstumsgrenzfläche nur 0.025 cm bei einem Temperaturgradienten von 20°C/cm, bei einen Temperaturgradienten von 1°C/cm erreicht die Abweichung der Wachstumsgrenzfläche 0.5 cm. Durch Ausbilden eines steilen oder scharfen Temperaturgradienten in der Nähe des Schmelzpunkts, kann somit ein Wiederaufschmelzen und ein Wiederverfestigen in dem wachsenden Kristall unterdrückt werden. Folglich wird ein hochqualitativer Einkristall erzeugt, der weniger Defekte hat, einschließlich Versetzungen oder Doppelkristallen (Kristall- Zwilling).

Wie zuvor beschrieben wurde, hat der vorgenannte Heizofen 12 eine Verbesserung in der Unabhängigkeit der Regelbarkeit jedes Heizelements gezeigt, um die Temperaturschwankungen zu unterdrücken, wenn ein Einkristall in einem Zustand mit einem stabilisierten steilen Temperaturgradientenbereich A_G gezüchtet wird, um folglich die Abweichung der Wachstumsgrenzfläche so gering wie möglich zu halten, wodurch ein hochqualitativer Einkristall mit weniger Defekten, wie geringerer Versetzungsdichte und dem Auftreten von Doppelkristallen erzeugt werden kann. Das Säen oder Ansetzen kann mittels des Ofens ebenfalls sicher durchgeführt werden, um hochqualitative Einkristalle mit einer höheren Reproduzierbarkeit zu erzeugen.

Nun wird anhand von Fig. 5(a) und 5(b) ein Ausführungsbeispiel beschrieben, das einen erfindungsgemäßen Ofen für ein Heißverfahren verwendet. Zur Vereinfachung der Beschreibung sind mit Teilen des dritten Ausführungsbeispiels funktionsgleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen, um die Beschreibung kürzer zu fassen.

Fig. 5(a) zeigt einen Ofen für ein Heißverfahren, der als keramischer Sinterofen ausgebildet ist. Der Ofen hat einen Heizofen 12, der mit vier Heizelementen 18a bis 18d am Umfang der Kammer 11 versehen ist, wie zuvor beschrieben wurde. Durch den Heizofen 12 wird eine Temperaturverteilung mit einer Spitze erzeugt, wie sie in Fig. 5(b) gezeigt ist. In anderen Worten, ein Sintertemperaturbereich B_S oberhalb der Sintertemperatur ist in einem schmalen Bereich, in etwa in einer mittigen Position in Höhenrichtung innerhalb des Druckbehälters 1 ausgebildet und eine Temperaturverteilung mit einzelnen steilen Temperaturgradientenbereichen B_G, B_G ist oberhalb und unterhalb des Sintertemperaturbereichs B_S augebildet.

Ein auf der Höhe entsprechend dem Sintertemperaturbereich B_S angeordnetes zweites Heizelement 18b ist in einer Form mit einer geringeren axialen Länge vorgesehen, wie in Fig. 5(a) gezeigt ist, und einzelne Isoliermaterialien 34a, 34b zwischen den Heizelementen, die das zweite Heizelement 18b von oben und unten zwischen sich einschließen, sind an Höhenpositionen angeordnet, die den einzelnen steilen Temperaturgradientenbereichen B_G, B_G entsprechen. Diese Isoliermaterialien 34a, 34b haben eine Dicke, die größer ist als die Dicke des unteren Isoliermaterials 34c zwischen den Heizelementen. Auf der oberen Stirnfläche der den unteren Deckel 1c durchdringenden Hubstange 6 ist ein Arbeitsmaterial als das zu erhitzende Material gehalten, zum Beispiel ein vorläufig gesintertes Keramikmaterial, wie Si₃N₄.

Zum Sintern von Si₃N₄ mittels des Ofens, wird die zu erhitzende Substanz 39 auf der Hubstange 6 gehalten, wodurch der Druckbehälter 1 abgedichtet wird, und die Stromversorgung (Leistungsversorgung) der einzelnen Heizelemente 18a bis 18d wird geregelt, um die Temperaturverteilung gemäß Fig. 5(b) in der Kammer 11 auszubilden. Um das untere Ende der zu erhitzenden Substanz 39 oberhalb des Sintertemperaturbereichs B_S zu positionieren, wird die zu erhitzende Substanz 329 gehalten, während die Hubstange 6 in ihrer oberen Grenzposition positioniert wird. Zum Sintern von Si₃N₄ werden beispielsweise N₂ Gas und Argon Gas unabhängig bei gegebenen hohen Drücken innerhalb der Kammer 11 bzw. außerhalb der Kammer 11 zugeführt, wodurch ein solcher atmosphärischer Zustand in der Kammer 11 eingestellt wird, daß die Zersetzung von Si₃N₄ unterdrückt werden kann, zusammen mit der gleichzeitigen Unterdrückung der Störungen des Heizers oder dergleichen.

Wenn die zuvor beschriebene Temperaturverteilung eingestellt ist, senkt sich die Hubstange 6 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit oder Rate, wodurch die zu erhitzende Substanz 39 allmählich den Sintertemperaturbereich B_S beginnend mit seinem unteren Ende passiert, und dann den Temperaturbereich B_S passiert, wodurch der ungesinterte Abschnitt 39a allmählich gesintert wird, wobei am unteren Ende davon begonnen wird.

Um den gesinterten Abschnitt durch ein solches Verfahren präzise zu steuern, sollte der Sintertemperaturbereich B_S schmal sein und der Temperaturgradient auf beiden Seiten des Bereichs sollte so steil wie möglich sein. Ein solcher Temperaturgradient kann mittels des zuvor beschriebenen Heizofens 12 auf stabile Weise erzeugt werden.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorhergehenden Beispiele beschränkt, sondern eine Vielzahl von Abwandlungsmöglichkeiten besteht im Rahmen dieser Erfindung. Beispielsweise können Beispiele 1 und 2 derart konfiguriert sein, daß der Heizerbefestigungssockel 15 aus Stäben aufgebaut sein kann, die in verschiedenen Winkeln in Zickzackform angeordnet sind, wenn die Anzahl Graphit-Führungselektroden 21 erhöht werden kann und wenn die Anzahl der Zonen weiter vergrößert wird. Ebenso ist ein Beispiel einer Heizerbefestigungplatte 16 aus Graphit gezeigt, aber die Platte kann aus einer isolierenden Keramik, wie BN (Bornitrid) gemacht sein. In einem solchen Fall ist der Isolator 19 nicht erforderlich.

In Beispiel 3 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, wo die Erfindung auf einen Einkristall-Produktionsofen gemäß des vertikalen Bridgman Verfahrens (VB-Verfahren) angewandt wird, aber die Erfindung ist ebenfalls für den Aufbau von Öfen für andere Verfahren, wie das horizontale Bridman-Verfahren (HB- Verfahren) anwendbar.

In Beispiel 4 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die zu erhitzende Substanz 39 beginnend mit ihrem unteren Ende allmählich gesindert wird, sobald die Substanz herabfährt, aber es ist auch möglich die zu erhitzende Substanz 39 beginnend mit deren oberem Ende allmählich zu sintern, nachdem die Substanz einmal aufzusteigen begonnen hat. Weil ein Heizbereich mit höherer Temperatur und ein Heizbereich mit niedrigerer. Temperatur dicht beieinander in einem einzigen Ofen auf stabile Weise durch Aufbringen eines steilen Temperaturgradienten ausgebildet werden können, kann die zu erhitzende Substanz 39 von einem Hochtemperaturabschnitt in einer kurzen Zeit in einen Niedrigtemperaturabschnitt überführt werden, wodurch der Ofen eine Struktur erhält, die einen schnellen Kühleffekt auf die zu bearbeitende Substanz aufbringt.

Es ist ein Ofen für Heißverfahren und/oder die Züchtung von Einkristallen beschrieben, wobei ein Druckbehälter 1 als ein Ofengehäuse mit einem isolierenden Zylinder 2 in Form eines umgestülpten Glases, und einzeln auf Heizerbefestigungsplatten 16 angeordneten Heizelementen 18 versehen ist, und wobei die Heizerbefestigungsplatten parallel angeordnet sind, um den Raum zum Anordnen der Heizelemente 18 mit vorbestimmten Intervallen in dem isolierenden Zylinder 2 vertikal zu unterteilen.

Für das Verfahren der Einkristallzüchtung durch Erhitzen in einer Hochdruck-Gasatmosphäre, können der isolierende Zylinder 2 und die Heizerbefestigungsplatten 16 die Wirkungen natürlicher Konvektion eines Hochdruckgases und die Wirkungen der Wärmestrahlung von benachbarten Heizelementen soweit wie möglich unterdrücken, so daß die Temperaturregelbarkeit jeder Heizzone verbessert werden kann, wodurch die vertikale Temperaturverteilung in den Ofen angemessen geregelt werden kann. Ebenso kann ein Heizelement 18 größerer Öffnungsweite stabil gehalten werden, wodurch ein Einkristall größerer Abmessungen gezüchtet werden kann.

Claims (15)

1. Vertikalofen zur Züchtung von Einkristallen, mit
einem abgedichteten Ofengehäuse (1) mit einem außenseitigen anzuschließenden Gaszuführ und -abführpfad (31),
einem Stützelement (8) zum Halten eines Rohmaterialbehälters (9),
zylindrischen Heizelementen (18), die vertikal und parallel in dem Ofengehäuse (1) angeordnet sind,
einem in dem Ofengehäuse (1) angeordneten isolierenden Zylinder (2) in Form eines umgestülpten Glases zum Umschließen der Gesamtheit der einzelnen Heizelemente (18) von deren Oberseite her,
ringförmigen Heizerbefestigungsplatten (16) mit Heizelementen (18), die parallel mit einem vorgegebenen Abstand vertikal in dem isolierenden Zylinder (2) angeordnet sind, wobei die Heizelemente (18) auf einzelnen Heizerbefestigungsplatten (16) befestigt sind, und
vom Außenumfang der einzelnen Heizelemente (18) in dem isolierenden Zylinder (2) vertikal hängenden Führungselektroden (21), die unabhängig mit an der Bodenwandung (4) des Ofengehäuses (1) angebrachten Stromversorgungsanschlüssen (24) verbunden sind.

2. Vertikalofen zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 1, ferner mit
einem Thermoelement (28) zum Erfassen der Heiztemperatur der einzelnen Heizelemente (18), und
einem Schutzrohr (27) für das Thermoelement (28), das vertikal einen inneren Abschnitt der einzelnen Heizelemente (18) auf der Heizerbefestigungsplatte (16) durchdringt, um daran abgestützt zu sein.

3. Vertikalofen zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 1, ferner mit einer Kammer (11) aus einem luftdichten Material, die den Rohmaterialbehälter (9) innerhalb der einzelnen Heizelemente (18) und der Heizerbefestigungsplatten (16) umschließt, wobei eine Öffnung (33), die die Innenseite und Außenseite der Kammer (11) miteinander verbindet, an der Unterseite der Kammer (11) vorgesehen ist.

4. Vertikalofen zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 1, wobei die oberen Enden der einzelnen Führungselektroden (21) an den Heizelementen (18) befestigt sind und deren untere Enden unabhängig durch einen flexiblen Metall-Leitungsdraht (26) mit den Stromversorgungsanschlüssen (24) verbunden sind.

5. Vertikalofen zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 1, wobei das abgedichtete Ofengehäuse einen Druckbehälter (1) und einen Bodenverschluß (4) hat, der den Bodenabschnitt des Druckbehälters (1) abdeckt, wobei der Bodenverschluß (4) einen ringförmigen Bodenverschluß (4a) mit einer zentralen Öffnung hat und einen inneren Bodenverschluß (4b) aufweist, der von unten eingeführt und in Eingriff ist, um die zentrale Öffnung des ringförmigen Bodenverschlusses (4a) zu verschließen.

6. Vertikalofen zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 1, ferner mit einem auf der Fläche jeder Heizerbefestigungsplatte (16) angeordneten Isoliermaterial, um die Unabhängigkeit der Temperaturregelbarkeit der von den Heizerbefestungsplatten (16) abgeteilten Räume zu verbessern.

7. Vertikalofen zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 1, wobei die Heizerbefestigungsplatten (16) eine isolierende Keramik aufweisen.

8. Vertikalofen zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 3, ferner mit einem zwischen einem Paar Heizelemente (18) angeordneten Isoliermaterial (34), wobei sich das Isoliermaterial (34) durch ein benachbartes Heizelement (18) zu einer Position nahe der Außenfläche der Kammer (11) erstreckt, und wobei ein spezifisches Isoliermaterial (34b) auf eine Dicke vorbereitet ist, die größer ist als die Dicke der Isoliermaterialien (34a, 34b), die in der Lage sind, den Raum zwischen einem Paar Heizelemente (18) nahezu vollständig auszufüllen, um dadurch einen steilen Temperaturgradientenbereich (A_G) mit einem örtlich steileren Temperaturgradienten in dem Ofen zu plazieren.

9. Vertikalofen zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 8, wobei das Isoliermaterial (34) ein keramisches Material, wie BN, SiC, Si₃N₄, AlN, Al₂O₃, SiO₂ und ZrO₂ oder Kohlenstoffmaterialien enthält.

10. Vertikalofen zur Züchtung von Einkristallen nach Anspruch 8, ferner mit einem Reservoir (37) zur Erzeugung von Dampf eines Elements (38) mit höherem Dissoziationsdruck während des Kristallwachstums, um dadurch das Innere der Kammer (11) auf einem gegebenen Dampfdruck zu halten, wobei das Element (38) eine Zusammensetzung eines Rohmaterials für die Einkristallzüchtung zur Verwendung in dem Einkristall- Produktionsofen hat, und wobei das Rohmaterial aus III-V Verbindungen und II-VI Verbindungen ausgewählt ist.

11. Ofen für ein Heißverfahren, mit
einem abgedichteten Ofengehäuse (1)
einer Kammer (11) aus einem luftdichten Material, die in dem Ofengehäuse (1) angeordnet ist,
zylindrischen Heizelementen (18) mit einer Stromversorgung, die vertikal und parallel in dem Ofengehäuse (1) und an der Außenwand der Kammer (11) angeordnet sind, und
einem zwischen einem Paar Heizelemente (18) angeordneten Isoliermaterial (34), wobei sich das Isoliermaterial (34) durch ein benachbartes Heizelement (18) zu einer Position nahe der Außenfläche der Kammer (11) erstreckt, und wobei ein spezifisches Isoliermaterial (34b) auf eine Dicke vorbereitet ist, die größer ist als die Dicke der Isoliermaterialien (34a, 34c), die in der Lage sind, den Raum zwischen einem Paar Heizelemente (18) nahezu vollständig auszufüllen, um dadurch einen steilen Temperaturgradientenbereich (B_S) mit einem örtlich steileren Temperaturgradienten in dem Ofen zu plazieren.

12. Ofen für ein Heißverfahren, nach Anspruch 11, ferner mit einem Behälter (9) für die zu erhitzende Substanz.

13. Ofen für ein Heißverfahren, nach Anspruch 12, ferner mit einem Rohmaterialbehälter (9) wobei die zu erhitzende Substanz (39) ein Rohmaterial zum Züchten von Einkristallen einer Verbindung ist, und wobei die durch Erhitzen erzeugte Schmelzlösung beginnend mit der Seite, die in Kontakt mit einem Saatkristall (10) ist, verfestigt ist, um dadurch die Schmelzlösung in einen Einkristall zu züchten, und wobei der steile Temperaturgradient in einem Temperaturbereich (A_G) angeordnet ist, der den Schmelzpunkt des Einkristalls enthält.

14. Ofen für ein Heißverfahren, nach Anspruch 11, ferner mit einem äußeren Isoliermaterial (36), das so angeordnet ist, daß es die Außenflächen der einzelnen Heizelemente (18) umgibt, während die Innenumfangsfläche des Isoliermaterials (36) in der Nähe der Außenumfangsfläche der Heizelemente (18) angeordnet ist.

15. Ofen für ein Heißverfahren, nach Anspruch 14, ferner mit einem unteren Isoliermaterial (35), das zwischen dem Boden des Ofengehäuses (1) und dem untersten Heizelement (18d) der einzelnen Heizelemente (18) angeordnet ist, wobei die Innenumfangsfläche des unteren Isoliermaterials (35) in der Nähe der Außenumfangsfläche der Kammer (11) angeordnet ist.