DE2252809C3 - Verfahren zur Korund-Einkristallzüchtung - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Korund-Einkristallzüchtung, bei dem ein mit Aluminiumoxid beschickter Behälter mittels Widerstandsheizung bis zur Schmelze des Aluminiumoxids erhitzt und die Schmelze einem Temperaturgradienten ausgesetzt wird.

Aus der Fachliteratur (Journal American Ceramic Soc. 53 [1970], Seiten 528 bis 529 und Journal Crystal Growth 11 [1971], Seiten 345 bis 347) sind Verfahren zur Korund-Einkristallzüchtung aus der Schmelze bekannt, bei dem ein mit Aluminiumoxid beschickter Behälter aus Molybdän mittels Widerstandsheizung bis zur Schmelze des Aluminiumoxids erhitzt und im Vakuum einem Temperaturgradienten ausgesetzt wird. Dieser Temperaturgradient wird innerhalb der Schmelze durch Verwendung eines heliumgekühlten Wärmeaustauschers, auf dem der Behälter mit der Schmelze ruht, erzeugt, wobei dieser Wärmeaustauscher auch die Keimbildung in der Schmelze durch den Keimkristall steuert. Durch bessere Vertrautheit mit dem Ofen und dem Material ist es nach diesem Verfahren gelungen, größere scheibenförmige Al₂O₃-KristaUe zu erzeugen, die jedoch Blockstruktur aufweisen. Dabei muß der Keimprozeß in der Schmelze genau durch bestimmten Durchfluß des Heliums durch den Wärmeaustauscher gesteuert werden, wobei der Ausgangsdurchfluß für jeden Wärmeaustauscher, für jeden Ofen und für jeden anders geform- g₅ ten Behälter empirisch bestimmt werden muß. Auf Grund der verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Behälter und Gut kommt es beim Wandern der Kristallisationsfront vielfach zur Bildung einer Blockstruktur des fertigen Kristalls und zu Gefüeefehlern, wie Versetzungen, und häufig auch zu direkter mechanischer Zerstörung, abgesehen von unerwünschten chemischen und Diffusionswechselwirkungen zwischen Kristall und Behälter.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Korund-Einkristallzüchtung der eingangs erwähnten Art anzugeben, nach dem sich ohne aufwendige Kühlmitteldurchflußregeiung Einkristalle ohne Blockstruktur und Gefügefehler sicher erhalten lassen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Schmelze in einem Behälter aus Molybdän oder Wolfram mit einer Geschwindigkeit von 4 bis 10 mm/h in einem Temperaturfeld mit einem Gradienten an der Kristallisationsfront von 5 bis 40° C cm"¹ im Vakuum mit einem Druck von ^ 5 10 Torr oder in Edelgas- oder Stickstoffatmosphäre von 0,2 bis 0,5 atm Überdruck bewegt wird.

Indem beider Erfindung von der an sich bekannten (A Smakula, Einkristalle [1962], Seite 231, Abschnitt 11.4) Version des Gradientverfahrens Gebrauch gemacht wird, bei dem eine Bewegung des Behälters erfolgt, wird ein nahezu automatischer Ausgleich der Wärmeströme erzielt, wenn die Grenze Kristall/Schmelze mit einer der Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalls entsprechenden Geschwindigkeit durch ein vorgegebenes Temperaturfeld bewegt wird. Da jeweils der Behälter gleichzeitig mit dem Gut der gleichen Temperatureinwirkung ausgesetzt ist, ist die Gefahr des Auftretens von Blockstruktur und Gefügefehlern sowie von mechanischer Zerstörung wesentlich geringer und auch die chemischen und Diffusionswechselwirkungen zwischen Behältermaterial und Kristall sind schwächer, so daß sich reinere Kristalle höherer Güte ergeben.

Besonders vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, daß im Vakuum als Beschickungsgut technische Tonerde verwendet werden kann. Vorzugsweise wird die Tonerde dazu vorgepreßt.

Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einem Behälter für das Aluminiumoxid, einer Widerstandsheizung und Wärmeschirmen,, ist gekennzeichnet durch einen Behälter aus Molybdän oder Wolfram und eine Widerstandsheizung aus Wolframvollstab in Form einer Bifilarwendel, wobei vorzugsweise die Bifilarwendel eine rechteckige Gestalt aufweist. Letzteres schafft besonders günstige Bsdingungen für die Züchtung von rechteckigen Korundplatten.

Die Erfindung wird nun an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für die Durchführung des erfindurngsgemäßen Vcrfahnens zur Züchtung von plattenförmigen Korund-Einkristallen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Behälterlage beim Korund-Einkristallzüchten,

Fig. 3 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines Wolfram-Heizgerätes mit einem Wolfram-Molybdän-Schirmsystem,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Molybdän-oder Wolframbehälters mit Keimkristall und Beschickungsgut,

Fig. 5 eine schematische Darstellung desselben Behälters ohne Keimkristall zur Spontanentstehung

von Korund-Einkristallen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Züchtung orientierter Korund-Einkristalle aus der Schmelze, z. B. in plattenförmiger Gestalt, besieht in folgendem.

Im Behälter 1 (Fig. 1, 2, 4 und 5) wird ein Keimkristall 2 (Fig. 2 und 4) mit der erforderlichen Orientierung angeordnet. Danach wird der Behälter 1 (Fig. 2,4 und 5) mit dem Ausgangsgut 3 gefüllt. Der gefüllte Behälter 1 wird mittels einer Verschiebevorrichtung 4 (Fig. 1 und 2) durch die Kristallisationskammer 5 bewegt, nachdem er in das Heizgerät 6 (Fig. 1, 2 und 3) so eingeführt worden ist, daß ein Teil des Keimkristalls 2 sich in die vordere Temperaturzone 7 (Fig. 2) für die Korundschmelze erstreckt. Das Heizgerät 6 ist in Gestalt einer rechteckigen Bifilarwendel (Fig. 3) ausgeführt, deren Enden an wassergekühlten Stromzuführungen befestigt sind. Das Heizgerät ist zwecks eines wirksameren Betriebs und einer Vergrößerung der WärmefeJdlräghcit durch ein System rechteckiger Schirme 8 (Fig. 1, 2, 3) an allen Seiten umgeben, ausgenommen an den beiden gegenüberliegenden Seiten, die der Behälter 1 durchsetzt. Um ein Durchbiegen des Heizgerätes bei hohen Temperaturen sowie eventuelle Kurzschlüsse mit den Schirmen zu verhindern, wird das Heizgerat durch Stützen 9 (Fig. 3) aus Wolfram abgestützt, die am kälteren Abschnitt durch Platten 10 aus Keramik am unteren Schirm 11 isoliert sind.

Die Stromversorgung der Anlage erfolgt durch Transformatoren 12 (Fig. 1), die Erzeugung eines Vakuums durch entsprechende Pumpen 13. Die Bewegungsrichtung des elektrischen Stromes im Heizgerät 6 ist in Fig. 3 durch Pfeile angegeben. Wenn in der Kristallisationskammer 5 ein Unterdruck von 5 · 10"⁵ Torr erreicht wird, wird mit dem Schmelzen des Gutes 2» begonnen.

Mit dem Heizgerät wird bei ohmscher Erhitzung zusammen mit den Schirmen 8 an der Kristallisationsfront ein Temperaturgradient im Bereich von 5 bis 40° C cm"¹ erreicht.

Sodann wird der Behälter 1 mit der Schmelze und einem Teil des Keimkristalls 2 mit einer Geschwindigkeit von 4 bis 10 mm/h in die Aufnahmekammer 14 gezogen. Die Bewegungsrichtung des Behälters 1 ist in der Fig. 2 durch einen Pfeil angegeben. Nach der Wachstumsbeendigung wird der Einkristall abgekühlt und aus der Aufnahmekammer 14 entnommen.

Die Eigenschaften des Werkstoffs (Molybdän,

Wolfram) des Behälters 1 sind solcher Art, daß sich der Behälter mechanisch leicht vom Einkristall abtrennen läßt.

Nach dem oben beschriebenen Verfahren wurde die Züchtung von Leukosaphir-Einkristallen ausgeführt. Dazu wurde eine Anlage mit einem ohmschen Heizgerät, dessen Leistung 20 kW betrug, benutzt.

ίο Die Stabilisierung der Temperatur war auf ± 0,5° C genau. Der Unterdruck in der Kammer betrug 5 10"⁵ Torr. Für die Einkristallzüchtung wurde brikettierte technische Tonerde genommen.

In dem 200x100x15 mm großen Behälter aus Molybdän und Wolfram wurden Leukosaphir-Einkristalle verschiedener kristallographischer Orientierung erhalten. Die Behälterziehgeschwindigkeit betrug 8 mm/h bei einem axialen Temperaturgradienten an der K/istaHisationsfron! von 20 bis 30° C pro cm.

Die erzeugten Einkristalle hatten eine Dichte der

Basisversetzungen von H)² bis H)⁴ cm"², ihre Rest-

spannungen betrugen bis 2 kp/mm"². Die kristallo-

graphische Orientierung war auf 2 bis 3° genau.

Beispiel einer Kristallisation im Edelgas und im Stickstoff:

Nach dem oben beschriebenen Verfahren wurde die Züchtung von Leukosaphir-Einkristallen sowohl in Edeigas als auch in Stickstoff ausgeführt. Dazu wurde eine Anlage mit einem ohmschen Heizgerät, dessen Leistung 20 kW betrug, benutzt. Die Stabilisierung der Temperatur war auf ± 0,5° C genau. Zunächst wurde in der Kammer ein Unterdruck von 5 10 "⁵ Torr erzeugt, wonach die Kammer mit Edelgas oder Stickstoff unter einem Überdruck von 0,2 bis 0,4 atm gefüllt wurde. Zum Einkristallzüchten wurde brikettierte technische Tonerde genommen.

In dem 200X100X15 mm großen Behälter aus

Molybdän und Wolfram wurden Leukosaphir-Einkristalle verschiedener kristallographischer Orientierung erhalten. Die Behälter-Verschiebegeschwindigkeit lag bei 4 bis 8 mm/h bei einem axialen Temperaturgradienter! von 20 bis 30° C cm "'. Die erzeugten Einkristalle hatten eine Dichte der Basisversetzungen von 10⁴ cm ~², ihre Restspannungen betrugen bis zu 2 kp mm², die kristallographische Orientierung war auf maximal 2 bis 3° genau.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Korund-Einkristallzüchtung, bei dem ein mit Aluminiumoxid beschickter Behälter mittels Widerstandsheizung bis zur Schmelze des Aluminiumoxids erhitzt und die Schmelze einem Temperaturgradienten ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze in einem Behälter aus Molybdän oder Wolfram mit einer Geschwindigkeit von 4 bis 10 mm/h in einem Temperaturfeld mit einem Gradienten an der Kristallisationsfront von 5 bis 40° C cm"¹ im Vakuum mit einem Druck von ^ 5 · 1(T⁵ Torr oder in Edelgas- oder Stickstoffatmosphäre von 0,2 bis 0,5 atm Überdruck bewegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Vakuum als Beschickungsgut technische Tonerde benutzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tonerde vorgepreßt ist.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, bestehend aus einem Behälter für das Aluminiumoxid, einer Widerstandsheizung und Wärmeschirmen, gekennzeichnet durch einen Behälter aus Molybdän oder Wolfram und eine Widerstandsheizung aus Wolfram-Vollstab in Form einer Bifilarwendel.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bifilarwendel eine rechtekkige Gestalt aufweist.