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Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen, vorzugsweise Einkristallen
aus der Schmelze Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen,
vorzugsweise Einkristallen aus der Schmelze mit einem Tiegel mit zwei untereinander
in Verbindung stehenden Tiegelräumen und einer Zuführungsvorrichtung für in den
Tiegelraum einzuleitende Substanzen.
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Bei dem Czochralski-Verfahren wird das einkristallin herzustellende
Material in einem Tiegel aufgeschmolzen, die Schmelze mit einem Impfkristall angeimpft
und anschließend die Temperatur
und Ziehgeschwindigkeit derartig
gesteuert, daß ein zylindrischer Kristall mit gleichem Durchmesser erhalten wird.
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Um Kristalle, vorzugsweise Einkristalle hoher Perfektion herstellen
zu können, ist es wichtig, ein möglichst homogenes und symmetrisches Temperaturfeld
in der Schmelze aufzubauen.
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FUr die E4erstellung von Halbleiterkristallen mit einstellbarer, konstanter
Fremdstoffkonzentration durch Ziehen aus einer Schmelze ist es bekannt, die Schmelze
auf zwei miteinander durch eine Leitung verbundene, vorzugsweise zylindrische GeSäße
unterschiedlichen Volumens aufzuteilen und den Kristall aus dem das kleinere Volumen
aufweisende Gefäß, welches innerhalb des größeren Gefäßes angeordnet ist, zu ziehen
und das Volumen der Schmelze im kleineren Gefäß fortlaufend durch Relativbewegungen
der beiden Gefäße gegeneinander und damit durch Ergänzung des geschmolzenen Halbleitermaterials
aus dem als Vorratsgefäß dienenden größeren Gefäß konstant zu halten.
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Aus der DT-AS 1 101 775 ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Ziehtiegel
in einem größeren, das Ausgangsmaterial enthaltenden Vorratsgefäß angeordnet ist,
Das Nachfließen der Schmelze aus dem Vorratsgefaß wird durch eine Verbindungskapillare,
die im Boden des inneren Gefäßes angeordnet ist, ermöglicht. Das kleinere, als Ziehtiegel
bezeichnete Gefäß schwimmt-dabei in der im größeren Gefäß befindlichen Schmelze.
Die axiale Verschiebung des Ziehtiegels erfolgt damit aufgrund der Schwerkraft.
Bei diesem Verfahren macht es sich als störend bemerkbar, daß die Bewegung des Ziehtiegels
innerhalb der im Vorratsgefäß befindlichen Schmelze verhältnismäßig willkürlich
ist, so daß eine exakte Justierung des Ziehtiegels nicht möglich ist. Es kann hier
also vorkommen, daß der thermische Mittelpunkt der im Ziehtiegel befindlichen Schmelze
nicht dem geometrischen Mittelpunkt entspricht,
d.h., die-.Schmelze
kann an Stellen, die nicht für das Kristall.wachstum vorgesehen sind, kühler sein
als an den dem Keim benachbarten Stellen, so daß es auch an diesen Stellen zu einer
spontanen Kristallisation kommen kann, was sich in erheblichen Kri stallbaufehl
ern bemerkbar macht.
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Aus der US-PS 2 892 739 ist ein Schmelztiegel bekannt, der ebenfalls
aus zwei Tiegeln aufgebaut ist, wobei ein innerer, kleinerer Tiegel innerhalb eines
äußeren größeren Tiegels auf hohen Füßen steht und mit der im äußeren Tiegel befindlichen
Schmelze über eine zentrale Öffnung in seinem Boden in Verbindung steht.
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Um eine möglichst homogene Temperaturverteilung zu erhalten, hat es
sich als vorteilhaft erwiesen, möglichst wenig Material zu gleicher Zeit zu erschmelzen.
Für diese Bedingung wäre der Tiegel nach der US-PS 2 892 739 nicht verwendbar, denn
bei einem im Verhältnis zur Größe des Tiegels niedrigen Schmelzenpegel würde ein
Innentiegel, der auf hohen Füßen in der Schmelze steht, entweder ganz mit se-inem
Boden über dem Schmelzenpegel des äußeren Tiegels liegen oder doch so wenig in die
Schmelze des Außentiegels eintauchen, daß das Ziehen eines Kristalls aus dem Innentiegel
nicht möglich wäre.
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Nachteilig bei der Vorrichtung nach der US-PS 2 892 739 ist außerdem,
daß der Tiegel bei einem Ziehprozeß nicht-vollständig von Schmelze geleert wird,
was ein kompliziertes und langwieriges Reinigungsverfahren des Tiegels erforderlich
macht.
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Die Temperaturverhältnisse in der Schmelze und am gezogenen Kristall
werden nicht nur durch Turbulenzen in der Schmelze ungünstig beeillflußt, sondern
auch durch eine oft erforderliche Scllutzgaseinleitung in den Tiegel, die den Zweck
hat, eine bestimmte Atmosphäre herzustellen oder den Wärmeabfluß zu erhöhen. Es
ist bekannt, einen Schutzgasstrom auf die Schmelze oder auf den wachsenden Kristall
zu leiten, wobei
der Gaseintritt an der Ziehvorrichtung erfolgt.
Diese Gaszufuhr an der Ziehvorrichtung hat den Nachteil, daß neben der Störung der
Temperaturverteilung in der Schmelze in unmittelbarer Nähe des Kristalls das Anblasen
des wachsenden Kristalls zu Spannungen und zum Zerspringen des Kristalls führen
kann.
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Ein weiterer Faktor, der zu instabilen Temperaturverhältnissen im
Tiegelinnenraum und in der Schmelze fahrt, ist, daß das Tiegelsystem gegenüber der
Außenwelt nicht vollkommen abgeschlossen werden kann, da Beobachtungsfenster und
Öffnungen für Zuleitungen erforderlich sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten
Vorrichtungen auszuschalten und eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht,
Kristalle, vorzugsweise Einkristalle sehr hoher Perfektion zu züchten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Gesamtraum
des Tiegels durch Anordnen eines Trennkörpers in einen inneren Tiegelraum (Wachstumsraun
des Kristalls) und einen äußeren, den inneren Tiegelraum umgebenden Tiegelraum aufgeteilt
ist, wobei der Trennkörper bis zum Boden einer im Tiegel befindlichen Schmelze reicht
und mit einer oder mehreren Öffnungen versehen ist, die eine Verbindung zwischen
dem inneren Tiegelraum und dem äußeren Tiegelraum darstellen und daß die Zuführungsvorrichtung
für in den'Tiegelraum einzuleitende Substanzen aus einer oder mehreren, voneinander
getrennten Zuführungsleitungen besteht, die im äußeren Tiegelraum münden.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist der Trennkörper ein
Hohlzylinder (Rohr). Der Tiegel kann mit einem Deckel verschlossen sein und ist
mit einer Isolierummantelung versehen, die zwischen der Tiegelaußenwand und einer
Heizquelle, z.B. einer Hochfrequenzspule angeordnet ist.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Kri-.
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stalle hoher Kristallperfektion, d.h. nahezu versetzungs-, spannungs-'und
einschluß freie Kristalle gezogen werden können, da der eigentliche Wachstumsraum
(der innere Tiegelraum), aus dem der Kristall gezogen wird, dank seiner Abschirmung
vom äußeren Tiegelraum in einem homogenen und symmetrischen Temperaturfeld liegt.
Turbulenzen in der Schmelze können weitgehend unterdrückt werden.
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Durch die Abschirmung des Wachstumsraumes vom äußeren Tiegelraum ergibt
sich als weiterer sehr wesentlicher Vorteil, daß in den Tiegelrauen einzuleitende
Substanzen, z.B. Schutzgase, in den äußeren Tiegelraum eingeleitet werden können
und damit das Wachstum des Kristalls nicht beeinträchtigen.
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Ein weiterer, wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist, daß in den Tiegelraum einzuleitende Substanzen über getrennte Regelkreise zugeführt
werden können. Bei der Zufuhr von z.B. Schutzgasen, die gleichzeitig der Wärmeableitung
dienen, haben getrennte Regelkreise den Vorteil, daß Temperaturinhomo genii tWten
in der ' Schmelze durch unterschiedliche Einstellung der Strömungsgeschwindigkeiten
ausgeglichen werden können, so daß sich ein symmetrisches Temperaturfeld in der
Schmelze und damit um den wachsenden Kristall einstellt.
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Der thermische Mittelpunkt in der Schmelze kann auf diese l^!eise
also besonders einfach zentriert werden.
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Ein weiterer, wesentlicher Vorteil dieser vom Wachstumsraum abgeschirmten
Zufiihrungsleitungen ist darin zu sehen, daß durch eine entsprechend hohe Strömungsgeschwindigkeit
bei der ZuftShrung von beispielsweise Schutzgasen in gesättigter Dampfphase iiber
der Schmelze befindliche Fremdstoffe, z.B. Tiegel material, von der Schmelzenoberfläche
weggeblasen werden und sich in den oberen, kühleren Tiegelbereichen an der Tiegelwand
wieder abscheiden können. Eine Verunreinigung der Schmelze
durch
Fremdstoff kann auf diese Weise unterbunden werden.
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Die Zufuhr von Schutzgasen in einen vom Wachstumsraum abgetrennten
Tiegelraum hat den weiteren Vorteil, daß keine gesonderte Vorheizvorrichtung für
das Schutzgas erforderlich ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 den Schnitt durch eine
Vorrichtung nach der Erfindung, Fig. 2 die Ansicht des Rohres der in Fig. 1 dargestellten
Vcrichtung als Ausschnittvergrößerung.
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Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen,
vorzugsweise Einkristallen aus der Schmelze enthält einen Tiegel 1, in den ein Rohr
2 (vergleiche auch Fig. 2) so eingesetzt ist, daß es auf dem Tiegelboden steht.
Auf diese Weise wird der Gesamtraum des Tiegels 1 in einen inneren Tiegelraum (Wachstumsraum
für den zu ziehenden Kristall) 6 und einen äußeren Tiegelraum 7 aufgeteilt. Eine
im Tiegel 1 be findliche Schmelze 5 kann durch schartenförmige Öffnungen 4, die
sich am unteren Rand des Rohres 2 befinden in den inneren Tiegelraum 6 gelangen,
aus dem ein zu ziehender Kristall mit Hilfe einer Kristallziehvorrichtung 3 aufgezogen
werden kann.
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Für dieses Ausführungsbeispiel sind am unteren Rand des Rohres 2 vier,
gleichmäßig auf den Umfang des Rohres verteilte schartenförmige Öffnungen 4 angebracht;
diese Zahl und Anordnung kann aber je nach Bedarf variierten. In den äußeren Tiegelraum
7 ragen zwei Zuführungsleitungen 8 hinein, die aus zwei unterschiedlichen Quellen
(nicht dargestellt) mit vorzugsweise gasförmigen Substanzen beschickt werden können.
Die Zuführungsleitungen enden bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung kurz nach
Eintritt in den äußeren Tiegelraum 7, sie können jedoch auch tiefer in diesen Tiegelraum
7 hineinragen, falls dies erforderlich ist. Der Tiegel 1 kann erforderlichenfalls
mit
einem Deckel 12 nach oben abgeschlossen werden, der lediglich Durchtrittsöffnungen
für die Zuführungsleitungen 8 und eine Öffnung für den zu ziehenden Kristall aufweist.
Der Deckel 12 ist aus gleichem Material wie der Tiegel 1 und das Rohr 2, für dieses
Ausführungsbeispiel aus Iridium; er sollte jedoch eine etwas größere lZandstärke
aufweisen als der Tiegel 1 und das Rohr 2, um eine zu schnelle Aufheizung des Deckels
und damit die Ausbildung einer unerwünschten Wärmequelle von oben zu vermeiden.
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Um eine zu hohe Wärm.eabstrahlung des Tiegels zu verhindern und die
Temperaturverlwältnisse zu stabilisieren, ist der Tiegel 1 von einer Isolierummantelung
10 umgeben, die zwischen einer für die Aufheizung des Tiegels durch Hochfrequenzinduktion
angeordneten Hochfrequenzspule 9 und der Außenwand des Tiegels 1 angeordnet ist.
Die Hochfrequenzspule 9 ist so angeordnet, daß der obere Rand des Tiegels 1 etwas
aus ihr herausragt. Die Isolierummantelung 10 ist mit Öffnungen 13, 14, 15 für die
Zuführungsleitungen, den gezogenen Kristall und ein Beobachtungsfenster versehen.
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Die Temperatur im Tiegelbereich wird über ein Thermoelement 11 gemessen
Die Zuführungsleitungen 8 sind für dieses Ausführungsteispiel aus zwei Teilen 81
und 82 unterschiedlichen Materials aufgebaut; der Teil 82 innerhalb der Isolierummantelung
10 besteht aus Au203, der Teil 81 außerhalb der Isolierummantelung 10 besteht aus
SiO2; es sind aber auch andere hochtemperaturbeständige Werkstoffe anwendbar.
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Das gesamte in Fig. 1 dargestellte System kann nach außen durch z.B.
einen doppelwandigen' wassergekühlten Stahlkessel (nicht-dargestellt) abgeschlossen
sein, der mit-Durchführungen für die erforderlichen Zuführungsleitungen, die Ziehvorrichtung
und Beobachtungsfenster versehen ist.
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Mit der Vorrichtung nach der Erfindung wurden Granateinkristalle gezogen
(Gadolinium-Gallium-Granatj Samarium-Gallium-Granat und Yttrium-Gallium-Granat),
die eine hohe Kristallperfektion aufwiesen, wobei eine sehr gute Reproduzierbarkeit
der Kristall-Qualität erreicht wurde. Es ist in diesem Zusammenhang hervorzuheben,
daß die Vorrichtung nach der Erfindung selbstverständlich nicht auf die ZUchtung
von Granateinkristallen beschränkt ist.
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Zur Darstellung von Gadolinium-Gallium-Granat (Gd3-Ga5-012) werden
92,67g Ga203 und 107,32g Gd203 in Form von Tabletten im inneren Iridiwnrohr abwechselnd
übereinander gestapelt. Nach Aufsetzen des oberen Teils der Isolierummantelung 10
aus A1203 werden die Zuführungsleitungen 8 eingeführt, durch welche ein Gasgemisch
aus 95o N2 und 5% O2 eingeleitet wird, das als Schutzgas und gleichzeitig zur Wärmeableitung
dient.
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Die Strömungsgeschwindigkeit beträgt ca. 30 l/h. Der Tiegel 1 wird
induktiv auf eine Temperatur von ca. 18000i: aufgeheizt und die Substanz aufgeschmolzen.
Nach dem Aufschmelzen wird die Gaszufuhr so eingeregelt, daß ein symmetrisches Flußlinienbild
erhalten wird. Der Mittelpunkt der Flußlinien fällt hierbei mit dem Mittelpunkt
des Tiegels zusammen. Nach dem Animpfen wird der Ziehprozeß in bekannter Weise fortgeführt.
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Der für dieses Ausführungsbeispiel verwendete Tiegel 1 hat einen Durclxnesser
von 60 mm, eine Höhe von 40 mm bei einer Wandstärke von 1,5 m; das in den Tiegel
1 eingesetzte Rohr 2 hat einen Durchmesser von 40 mm, eine Höhle von etwa 36 mm
bei gleicher Wandstärke wie der des Tiegels 1. Die schartenförmigen Öffnungen 4
am unteren Rand des Rohres 2 haben eine Größe von 3 x 2 mm2.
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Wie schon hervorgehoben, iat es besonders vorteilhaft im Hinblick
auf die Ausbildung einer homogenen Temperaturverteilung im Wachstumsraum, wenn der
Pegel der Schmelze 5 im Tiegel 1
verhältnismäßig niedrig gehalten
wird. Für das beschriebene Ausführungsbeispiel betrug die ilöhe der Schmelze bei
einem Tiegel der angegebenen Abmessungen etwa 10 mm.
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Zu den Fig. 1 und 2 ist hervorzuheben, daß es sich nicht um eine maßstäbliche
sondern um eine schematische Darstellung der Vorrichtung nach der Erfindung handelt.
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Patentansprüche: