DE2325104B2

DE2325104B2 - Verfahren zum Ziehen eines langgestreckten, kristallinen Körpers

Info

Publication number: DE2325104B2
Application number: DE2325104A
Authority: DE
Inventors: Harold E. Quincy Mass. Labelle (V.St.A.)
Original assignee: Tyco Laboratories Inc
Current assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Priority date: 1972-07-10
Filing date: 1973-05-17
Publication date: 1980-02-21
Also published as: GB1374065A; JPS4953176A; JPS5147432B2; US3870477A; IT979997B; DE2325104C3; BR7303955D0; FR2191943B1; BE799237A; CH575777A5; CA998922A; FR2191943A1; DE2325104A1; NL7305454A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen eines langgestrrckten, kristallinen Körpers aus der Schmelze unter Ausbildung eines vertikalen Meniskus zwischen dem kristallinen Körper und der oberen Begrenzung eines mit wenigstens einer Kapillare versehenen Formgebungsteils, wot ή die Kapillare dk Verbindung mit der Vorratsschmelze herstellt und zur Konstanthaltung der Querschnittsabmessung des kristallinen Körpers die Ziehgeschwindigkeit und/oder dte Temperatur der Schmelze in der Ziehzone geregelt werden.

Kristallziehverfahren dieser Art auf welche sich die Erfindung speziell bezieht, sind in den US-Patentschrif ten 35 91348 (entsprechend DE-OS 19 35 372) und 34 71 266 (entsprechend DE-Of-. 17 69 481) beschrieben. Diesen Ziehverfahren und -vo'richtungen ist gemeinsam, daß die eigentliche Ziehscdmelze bzw. Ziehzone, aus welcher unmittelbar der Kristallstrangkörper gezogen wird, von der ir. einem üblichen Schmelztiegel befindlichen Hauptvorrats&chmelze räumlich und thermisch weitgehend getrennt ist und mit dieser lediglich über einen verhältnismäßig langen, dünnen Kapillarkanal verbunden ist, welcher sich in vertikaler Richtung in einem Ίν. -er Schmelze aufrechtstehenden Formgebung.uii vorn unterer; Ende, wo er mit der Vorratsschmelze in Verbindung s'.ht, zum oberen Ende, an uiplnharn cir»h Hi*» 7ii»hc/*lirnf»|7A Kvu/ 7ίρη7ηηρ hpfinHpt erstreckt

Im einzelnen ist bei dem in F i g. 1 der vorliegenden Zeichnung veranschaulichten Ziehverfahren nach eier US-PS 35 91 348 (DE-OS 19 35 372) die Anordnung so getroffen, daß sich an der oberen Stirnfläche 10 eines in die Vorratsschmelze 14 eintauchenden im wesentlichen zylindrischen Formgebungsteils 4 aus einem durch die Schmelze benetzbaren Material ein dünner Schmelzenfilm 20 bildet, dessen Querschnittskonfiguration durch die Konfiguration der genannten Stirnfläche 10 bestimmt ist und ihrerseits die Querschnitiskonfiguration des aus der Ziehzone nach oben gezogenen Kristallsirangkörpers bestimmt Für dieses Verfahren hat sich die Bezeichnung EFG-Verfahren (»Edge defined film growth«-Verfahren) in der Fachwelt eingebürgert, was sinngemäß als »randkantenbegrenztes Ziehverfahren aus einem dünnen Schmelzfilm« wiedergegeben werden kann. Dieses EFG-Verfahren hat den besonderen Vorzug, daß es in einfacher Weise die Herstellung von Sirangkörpern beliebigster Quer· Schnittskonfiguration einschließlich von Hohlkörpern gestattet da wie erwähnt die Querschnittskonfiguration des gezogenen Kristallkörpers im wesentlichen durch die Querschnittskonfiguration der Stirnfläche 10 des Formgebungsteils 6 bestimmt wird, die in einfacher Weise jeder gewünschten Querschnittskonfiguration angepaßt werden kann. Die anfängliche Erzeugung und laufende Nachfüllung des erwähnten dünnen Schmelzenfilms 20 an der Stirnfläche 10 des Formgebungsteils erfolgt über einen oder mehrere sich im Formgebungsteil über dessen Länge erstreckende KapiUarkanäb 12.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eines EFG-Verfahrens ist eine rohrförmige Querschnittskonfiguration vorgesehen, indem das Formgebungsteil in seinem oberen Teil mit einer Mittelausnehmung 8 entsprechend etwa dem Innendurchmesser des gewünschten rohrförmigen Strangziehkörpers ausgebildet ist (hierbei besteht die einzige Beschränkung darin, daß derartige innere öffnungen in der Fnrmgebungsteilstirnfläche einen gewissen Durchmesser nicht unterschreiten dürfen, da sie andernfalls durch die Oberflächenspannung des sich auf der Stirnfläche ausbildenden Schmelzenfilms 20 von diesem überbrückt werden). Selbstverständlich eignet sich das EFG-Verfahren auch zur Herstellung von Strangkörpern mit massivem oder Vollquerschnitt beliebiger Querschnittskonfiguration.

Das in der US-Patentschrift 34 71266 (DE-OS 17 69 481) beschriebene andere Verfahren, auf welches sich die Erfindung ebenfalls bezieht, ist in den F i g. 2 und 3 der vorliegenden Zeichnung veranschaulicht; von dem vorstehend behandelten EFG-Verfahr·;η unterscheidet es sich im wesentlichen dadurch, daß hier nicht aus einem dünnen, an einer horizontalen oberen Stirnfläche des Formgebungsteils gebildeten Schmelzenfilm gezogen wird, sondern aus der oberen Mündung der K anillarpnrtffniincr (^O in Hpn P i σ 9 iinrt ~i\ cpIHct nif>cf>c , .._{o K} ... · ο / —·-

Verfahren ist unter der Bezeichnung SFT-Verfahren geläufig (»Self-Filling-Tube«-Verfahren), was als »Verfahren mit Ziehen unmittelbar aus der oberen Öffnung eines sich durch Kapillarwirkung selbst nachfüllenden Kapillarkanals« sinngemäß wiedergegeben werden kann. Hierbei wird die Querschnittsform des gezogenen Kristallstrangkörpers im wesentlichen durch die obere Mündungsöffnung der Kapillare (mit-)bestimmt — im Gegensatz zu dem EFG-Verfahren, in welchem der Form der Kapillare als solcher keine Formgebungsfunk-

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einfachsten Ausführung mit nur einer Kapillare, aus welcher unmittelbar gezogen wird, zur Herstellung entsprechender (vorzugsweise einkristalliner) Kristallfäden dienen; es ist jedoch nicht auf diese einfachste Querschnittskonfiguration beschränkt, sondern kann beispielsweise, wie die F i g. 2 und 3 der vorliegenden Zeichnung erkennen lassen, auch zur Herstellung von Hohlkörpern wie etwa Rohren dienen, indem als Kapillare ein entsprechender Kapillarringkanal 52 im Formgebungsteil vorgesehen wird, dessen Spaltweite Kapillarabmessungen für die betreffende Schmelze

besitzt

Den beiden vorstehend behandelten Verfahren, EFG bzw. SFT, auf welche sich die vorliegende Erfindung bezieht, ist somit gemeinsam, daß die eigentliche Ziehschmelze räumlich und thermisch von der Hauptvorratsschmelze im Schmelztiegel getrennt ist und mit dieser nur über einen verhältnismäßig langen und engen Kapillarkanal bzw. mehrere solche Kanäle verbunden ist; hierdurch wird als wesentlicher Vorteil gegenüber früheren bekamten Ziehverfahren erreicht, daß die eigentliche Ziehzonc mit der Ziehschmelze, aus welcher unmittelbar gezogen wird (horizontaler Stirnflächenschmelzfilm am Formgebungsteil beim SFT-Verfahren) gegenüber schwer vermeidbaren Zusar^menEetzungs- und Temperaturschwankungen (durch Maie,'¹- oder Wärmekonvektionsströme) in der Hi-upfehn. ' -e weitgehend geschützt ist, derart, daß beispielsweise die Hauptschmelze kontinuierlich oder absatzweise nachgefüllt werden kann, ohne da. jich die damit verbundenen unvermeidlicher» örüichen Zusammensetzungs- und Temperaturschwaii.-'n-gen störend auf den Ziehvorgang auswirken. Hierdurch läßt sich auch bei begrenzter Tiegelgröße eine voll-kontinuierüche Arbeitsweise über längere Zeit und entsprechend jroße Längen des Strangerzeugnisses durch laufende oder absatzweise Aufgabe von Schmelzgut in den Schmelztiegel erzielen und mit verhältnismäßig geringem apparativem Aufwand eine hohe Temperaturkonstanz in der eigentlichen Ziehzone gewährleisten.

Allgemein besteht bei Kristallziehverfahren, bei welchen ein strangförmiger Kristall aus einer Schmelze gezoger, wird, das Problem, bestimmte Sollwerte der Querschnittsabmessungen einzuhalten, insbesondere gleichbleibende konstante Querschnittsabmessungen über die Stranglänge hin. Dieses Problem besteht wie gesagt bei allen derartigen Kristallstrangziehverfahren in hohem Maß. Bei den vorstehend abgehandelten speziellen EFG- bzw. SFT-Verfahren ist das Problem der Steuerung, insbesondere Konstantregelung der Querschnittsabmessungen zwar gegenüber den Verfahren. bei welc'.en direkt aus der Hauptvorratsschmelze gezogen wird, dadurch gemildert, daß das Formgebungsteil mit seinem kontrollierenden Bereich (obere Stirnfläche des Formgebungsteils beim EFG-Verfahren bzw. obere Mündungsöffnung der Kapillare im Formgebungstei! beim SFT-Verfahren) auSer der die Qüerschnittskonfiguratiori bestimmenden Formgebungsfunktion auch eine gewisie Bestimmungs.unktion für die Querschnittsabmessungen ausübt. Gleichwohl besteht das Problem der Erzielung bestimmter gewünschter Sollwerte, insbesondere einer gleichbleibenden konstanten Querschnittsabmessi.ng, auch bei dem EFG- bzw. SFT-Verfahren.

So können die beiden genannten Verfahren beispielsweise zum Ziehen von Rohren aus Alpha-Aluminiumoxid zur Verwendung als Lampenkolben für die

pen dienen. Hierbei ist es aus verschiedenen Gründen und insbesondere zur Vermeidung von Schwierigkeiten beim dichten Verschließen der Rohrenden erforderlich, bo daß der Außendurchmesser der Rohre innerhalb relativ enger Toleranzen genau eingehalten wird. In einem typischen Fall soll ein solches Rohr ζ. Β. einen Außendurchmesser von etwa 9,5 mm erhalten, der mit einer Genauigkeit von ±0,075 mm eingehalten werden muß.

Bei den erwähnten EFG- bzw. SFT-Ziehverfahren, auf welche sich die vorliegende Erfindung bezieht, ist die Stabilität des Ziehvorgangs (d. h. der unterbrechungsfreie Fortgang des Kristallwaclistums) und auch die erhaltene Querschnittsform reiativ unempfindlich gegenüber Änderungen der hauptsächlichen Parameter des Ziehverfahrens: Ziehgeschwindigkeit und Temperatur in der Ziehzone, d h. insbesondere an der Flüssig-Fest-Grenzfläche, und zwar eben aufgrund der besonders wirksamen Formgebung bei diesen Verfahren; es können daher bei diesen Verfahren die Ziehgeschwindigkeit und die Temperatur an der Kristallisationsfläche innerhalb relativ weiter Grenzen schwanken, ohne daß das Kristallwachstum unterbrochen wird und ohne daß sich eine größere Veränderung bezüglich der Querschnittsform des anwachsenden Kristallkörpers ergibt. Hingegen besteht nach wie vor eine relativ kristische Abhängigkeit der Querschnittsabmessungen des gezogenen Kristall-Strangkörpers von Schwankungen der genannten hauptsächlichen Ziehparameter: Ziehgeschwindigkeit und Tempetatur in der Ziehzone. Dies macht eine Steuerung bzw. Regelung des Ziehvorgangs hinsichtlich der Erzielung bestimmter gewünschter, insbesondere konstanter O'-erschnittsabmessungen erforderlich. Da die Ziehgtschwindigkeit verhältnismäßig einfach konstant gehalten werden kann, wird üblicherweise derart vorgegangen, daß man — sobald das Wachstum des Kristallkörpers mi» der gewünschten Form eingesetzt hat — die Ziehgeschwindigkeit auf den gewünschten festen Wert einstellt und auf diesem konstanten Wert hält, und gleichzeitig die Temperatur in der Kristallisationszone durch entsprechende Regelung der Wärmezufuhr zu der Ziehzone so einstellt bzw. regelt, daß möglichst konstante Querschnittsabmessungen erzielt werden. Diese Überwachung des anwachsenden Kristallkörp· rs und seiner Abmessungen zum Zweck der Kontanthaltung der Abmessungen innerhalb der vorgeschriebenen Toleranzgrenzen ist jedoch, jedenfalls bei hohen Genauigkeitsanforderungen, schwierig. In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, daß etwa in dem erwähnten Beispielsfall des Ziehens eines Alpha-Aluminiumoxidrohrs zur Verwendung als Lampenkolben die Außenwan^Hung eine gewisse Unrundheit aufweisen kann, derart, daß das Rohr praktisch eine ovale Form mit einem größten und einem kleinsten Durchmesser erhält Wenn auch diese Unrundheit verhältnismäßig geringfügig ist und der Unterschied zwischen dein crAähntcn größten und kleinsten Durchmesser in typischen FäHen nicht mehr als etwa 0,025 mm bei einem Rohr mit einem Außendurchmesser von etwa 9,5 mm beträgt erfordert doch das Auftreten derartiger geringfügiger Formabweichungen eine besonders genaue Regelung der Betriebsparameter und insbesondere eine genaue Einstellung bzw. Rege.ung der Temperatur, um die Abweichungen bezüglich Form und Abmessungen des Rohrs in den vorgeschriebenen engen Grenzen zu halten.

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Temperaturkonstanthaltung in der Ziehzone bereitet bereits die Überwachung bzw. Messung der Temperatur in der Ziehzone, d. Ί. an der Flüssig-Fest-Grenzfläche, mit der für die konstante Querschnittsabmessungen erforderlichen Genauigkeit und gleichzeitig ohne Störung des Kristallwachstumsvorgangs erhebliche Schwierigkeiten. Bei Verwendung eines optischen Pyrometers zur Temperaturmessung besteht infolge der schlechten ZugänglLhkeit und der verhältnismäßig geringen Größe der Knstailijationszone die Gefahr einer Veraschung der Pyrometeranzeige durch das

engbenachbarte, verhältnismäßig große, als Wärmestrahlungsquelle wirkende Formgebungsteil sowie durch eventuell vorgesehene Strahlungsabschirmvorrichtungen. Selbst wenn jedoch das Pyrometer die Temperatur der Schmelze im Bereich der Kristalüsationszone genau mißt, bedeutet eine Änderung der Temperaturanzeige nicht notwendigerweise, daß sich der Außendurchmesser des zu ziehenden Rohrs verändert hat, denn eine Teniperaiuränderung kann durch eine Änderung der Ziehgeschwindigkeit ausgeglichen worden sein; derart daß der Außendurchmesser des Ronrs tatsächlich unverändert bleibt. Außerdem ist. selbst wenn die genaue Temperatur der Kristallisationszone und die Ziehgeschwindigkeit bekannt sind, für die Bedienungsperson schwer feststellbar, ob sich der Außendurchmesser des wachsenden Rohrs innerhalb der Toleranzgrenzen hält oder die «"»her- oder Untergrenze Oberschreitet, und ob und ggs in welcher Richtung und in welchem Ausmaß daher eine Temperaturänderung veranlaßt isL Wird die Temperatur der Knstallisationszone zu hoch gewählt, erhält das Rohr einen kleineren Durchmesser als gewünscht: wird die Temperatur der Kristallisationszone dagegen zu niedrig gewählt können in dem Erzeugnis Spannungen und Korngrenzen entstehen, und es kann zu einer Erstarrung der Schmelze in bzw. an dem Formgebungsteil und damit zu einer Unterbrechung des Ziehvorgangs kommen.

Besonders gravierend werden diese Schwierigkeiten bei Ausgestaltung als Vielfach-Ziehverfahren mit eitler größeren Anzahl von aus der gleichen Vorratsschmelze gespeisten Ziehstellen am oberen Ende von Formgebungsteilen: die erwähnten EFG- bzw. SFT-Verfahren sind für diese im kommerziellen Maßstab wegen der hohen Produktivität besonders erwünschte Ausgestaltung als Vielfach-Ziehanfage von Haus aus besonders vorteilhaft, mscfern hier durch die Trennung der jeweiligen Ziehzonen vo.i der (gemeinsamen) Vorratsschmelze die (unterschiedliche) beeinflussung der einzelnen Ziehzonen durch Zusammensetzungs- bzw. Temperaturschwankungen in der Hauptschmelze von Haus aus verhältnismäßig gering sind: gleichwohl sind gewuse Temperaturabweichungen zwischen den einzeänen Ziehstellen bei vertretbarem Aufwand auch hier unvermeidlich, so daß selbst eine genaue Teraperaturbeobachtung und -messung an einer Ziehstelle und die dememsprechende Regelbetätigung zur Erzielung konstanter Querscrmittsabmessungen dies nicht notwendigerweise an den übrigen Ziehstellen garantiert

Grundsätzlich bestfinde die Möglichkeit, die Steuerung, insbesondere Konstantregelung der Querschnittsabmessung des gez'-genen Kristallstrangkörpers statt auf dem indirekten Weg über Temperaturmessung und -steuerung direkt /orzunehmen, indem man die Regelgröße (Querschnittsabmessung des Kristallkörpers) c?>ekt, beispielsweise optisch, überwacht und in Abhängigkeit davon die Verfahrensparameter (Ziehgeschwindigkeit, Wärmezufuhr zur Steuerung der Temperatur in der Ziehzone), im Sinn einer Steuerung, insbesondere Konstanthaltung, der Regelgröße (Querschnittsabmessung) verändert. Hierbei besteht jedoch die Schwierigkeit, daß je nach der gewünschten Regelgenauigkeit für die Querschnittsabniessungen des Strangkörpers eine relativ hochgenaue Messung kleiner Querschnittsschwankungen erforderlich ist, und zwar innerhalb der Ziehzone, d. h. unter ungünstigen Bedingungen schlechter Zugänglichkeit. Hierzu ist zu beachten, daß beispielsweise im FaI! des Ziehens eines Rohrstrangs von ca. 1 cm Außendurchmesser bei einer Änderung der Temperatur in der Ziehzone um etwa 30⁰C der Außendurchmesser sich nur um etwa 0,075 mm ändert Die optische Überwachung derart geringer Abmessungsänderungen unter den relativ ungünstigen Umständen in der Zichzone (schlechte Zugänglichkeit) bildet daher ein erhebliches Problem; besonders schwierig wird es im Fall von Hohlkörpern, wobei Abmessungen an der Innenseite des Hohlkörpers

to beobachtet werden müssen. Aus der DE-OS 15 19 850 ist es in diesem Zusammenhang im Rahmen eines herkömmlichen Verfahrens, bei welchem der Kristallkörper direkt aus der Oberfläche der Hauptvorratsschmelze gezogen wird, bekannt die Querschnittsab- messung direkt zu überwachen, und zwar mit Hilfe von Röntgenstrahlung: dies bedeutet jedoch ersichtlich einen erheblichen apparativen Aufwand und unterliegt gleichwohl nach wie vor dem vorstehend erwähnten Nachteil extrem hoher Genauigkeitsanforderungen für die Querschnittsabmessuoji smessung.

Der Erfindung liegt daher als Aufgabe zugrunde, unter den besonderen Bedingungen des EFG- bzw. SFT-Zk.. . iahrens (Ziehen aus einer Ziehschmelze am oberen Ende einer Kapillare eines Formgebungsteils) in einfacher und zugleich wirksamer Weise eine genaue Steuerung, insbesondere Konstantregelung der Quer· schnittS4bmessung(en) des gezogenen Kristallstrangkörpers zu ermöglichen, die bei einfachem apparativem Aufwand' »hen Genauigkeitsanforderungen genügt

Zu diesem Zweck >«■* N" einem Verfahren der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Höhe des Meniskus opfsch überwacht und die Ziehgeschwindigkeit bzw. d-e Temperatur so geregelt wird, daß die Höhe des Meniskus innerhalb vorbestimmter Grenzen bleibt

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß (a) die Höhe dieses Meniskus in einem eindeutigen Zusammenhang zu der eigentlich interessierenden Regelgröße (Querschnittsabmessung) steht und

(b) Schwankungen der Ziehparameter (Ziehgeschwindigkeit; Temperatur in der Ziehzone) bzw. anderweitige Störgrößen sich um ein Vielfaches stärker auf diese Mi'niskushöhe auswirken als auf die Querschnittsabmessung, so daß also die Meniskushöhe ein wesentlich empfindlicheres Kriterium und eine wesentlich empfindlichere Anzeige für Änderungen der die Querschnittsabmessung beeinflussenden Ziehparameter ist als die Querschnittsabmessung selbst Beispielsweise äußert sich die o.e. Änderung der Ziehzonentemperatur um

30⁰C in einer Änderung der Meniskushöhe um 60 bis

100%, gegenüber einer prozentualen Änderung der

Querschnittsabmessung um weniger als 1% (0.07:> ipm Änderung r li einem Außendurchmesser von 9,5 mm). Nicht nur erhält man somit nach dem Grundgedanken

der Erfindung, bezogen auf eine gegebene Schwankung der Ziehparameter (beispielsweise der Ziehtemperatur) eine absolutwertmäßig wesentlich stärkere, deutlichere Änderung der Oberwachungsgröße (Meniskushöhe) als bei Überwachung der Regelgröße (Querschnittsabmes-

sung) selbst; diese erfindungsgemäß für die Überwachung herangezogene Größe (Meniskushöhe) ist auch in der Regel für eine beispielsweise optische Überwachung besser zugänglich als die Querschnhtsabmessung selbst, jedenfalls, soweit es sich um Querschnittsabmes sungen an der Innenseite von Hohlkörpern handelt

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltcmg der Erfindung ist dabei vorgesehen, daß die Höhe des Meniskus mit Hilfe eines Mikroskops mit einer linearen Teilung im

Okular überwacht wird. Mit einer derartigen einfachen Mikroskopüberwachung der Meniskushöhe läßt sich dabei eine außerordentlich genaue überwachung und Steuerung des Ziehvorgangs erzielen.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht in der Anwendung beim gleichzeitigen Ziehen mehrerer kristalliner Körper mit gleicher Ziehgeschwindigkeit, wobei die Höhe eines Meniskus optisch ;'jcrwacht wird. Das erfindungsgemäße Steuerungsbzw. Regelverfahren für die Querschnittsabmessüng eignet sich besonders für eine derartige Anwendung in Vielfach-Ziehanlagen nach dem EFG- bzw. SFT Prinzip, bei welchen eine größere Anzahl von Z.ehstellen aus einer gemeinsamen Hauptvorratsschmel/e gespeist wird, wobei sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Überwachung nur einer Ziehstelle eine gute Konstanz der Querschnittsabmessungen der Strangkörper an allen Ziehstellen innerhalb bestimmter gegebener Toleranzgrenzen erreichen läßt

Aus einer Artikelserie in »Materials Research Bulletin« 1971. Teil I (S. 571 bis 579). Teil II (S. 581 bis 589). Teil ill (S. 6Sl bis 690) ist im vorliegenden Zusammenhang lediglich der bekannte triviale Zusammenhang zwischen Ziehgeschwindigkeit und Temperatur in der Zrehzone einerseits und Querschnittsabmessung andererseits, sowie die Bedeutung des Meniskus für die »Stabilität« bzw. einen »stationären Zustand« des Ziehverfahrens zu entnehmen. Die Angaben über »Stabilität« b/w. »stationären Zustand« stellen dabei keine Aussage über Querschnittsabmessungen dar. sondern betreffen lediglich den unterbrechungsfreien Fortgar.g des Krisiallwachstiims beim Ziehen durch Gewäfirleisiung eines Gleichgewichtszustandes zwischen durch Kapillarkräfte zugeführter Schmelze und Schmelzenverbrauch durch das Kristallwachstum an der Grenzfläche flüssig/fest.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben: in dieser zeigt

F1 g. 1 in senkrechter Schnittansicht eine Ziehvorrichtung mit Schmelztiegel und in diesem angeordnetem Formgebungsteil, zum Ziehen eines vorzugsweise einkristallinen rohrförmigen Kristalkörpers nach dem bekannten EFG-Verfahren.

F i g. 2 in der F i g. 1 entsprechender senkrechter Schnittansicht eine Ziehvorrichtung mit Schmelztiegel und Formgebungswerkzeug zum Ziehen eines vorzugsweise einkristallinen rohrförmigen Kristallkörpers nach dem bekannten S FT-Verfahren,

F i g. 3 in vergrößerter Darstellung einen Detailausschnitt aus Fig.2 zur Veranschaulichung des Ziehens eines rohrförmigen Krislallkörpers nach dem SFT-Verfahren,

Fig.4 in teilweise geschnittener Seitenansicht eine Kristallziehvorrichtung mit Ofen und zugeordneter optischer Einrichtung zur Überwachung des KristaTI-ziehvorgangs nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Fig.5 in Draufsicht ein Aggregat mit Schmelztiegel und einer Gruppe von vier aus diesem Schmelztiegel gespeisten Formgebungsteilen gemäß Fig. 1 als Vielfachzjehanlage zur Verwendung in der Vorrichtung gemäß F ig. 4.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung zum Ziehen eines rohrförmigen Körpers nach dem erwähnten bekannten Verfahren gemäß der US-Patentschrift 3591384 umfaßt einen Tiegel 2, mit einem Fonngebungsteil in Form einer runden Stange 6, weiche an ihrem oberen Fnde mit einer axialen Blindbohrung S von runder Querschnittsform versehen ist, so daß die Stange eine ringförmige Stirnfläche aufweist Die Stange 6 besteht aus einem durch die Schmelze benetzbaren Werkstoff, der mit der Schmelze weder reagiert noch in der Schmelze löslich ist. Der Durchmesser der Blindbohrung 8 muß so groß sein, daß die Mündung am oberen Ende durch den Schmelzfilm 20 nicht verschlossen wird. Alternativ kann die Bohrung 8 auch über die ganze Länge der Stange 6 erstreckt werden, so daß sie mit ihrem offenen unteren Ende in der Schmelze im Tiegel 2 mündet. In diesem Fall muß der Durchmesser der Bohrung genügend groß sein, daß sie sich nicht infolge Kapillarwirkung mit der Schmelze füllt.

Die das Formgebungsteil bildende Stange 6 weist ferner mehrere sich in der Längsrichtung erstreckende Bohrungen 12 von kleinem Durchmesser auf. von denen in Fig. 1 nur zwei sichtbar sind, die im wesentlichen in gleichmäßigen Winkelabständen um die Achse der Stange verteilt und so bemessen sind, daß sie bezüglich der Schmelze 14 in dem Tiegel 2 als Kapillarrohre wirken. Die Stange 6 ist an einer Platte 16 befestigt, die auf einer Schulter 18 am oberen Ende des Tiegels 2 aufruht; die Stange 6 ist in einer Mittelöffnung der Platte 16 so befestigt, daß sie geringfügig über die Platte 16 übersteht; das untere Ende der Stange 6 ist in einem gewissen Abstand über dem Boden des Tiegels 2 angeordnet.

Die Vorrichtung gemäß F ί g. 1 wird in einen Kristallziehofen eingebracht wie er z. B. in den vorstehend genannten US-Patentschriften beschrieben ist. und eine Charge aus dem zu verarbeitenden Material wird in den Tiegel eingetragen und zum Schmelzen gebracht Sobald das Material schmilzt steigt die Schmelze in den Kapillarrohren 12 infolge der Kapillarwirkung nach oben, derart, daß die Kapillarrohre jeweils eine aus der Schmelze gebildete Säule enthalten. Die Querschnittsabmessungen der Kapillaren 12 und die Länge der Stange 6 sind so gewählt daß für die jeweilige Schmelze, die z. B. aus Aluminiumoxid besteht, die Kapillarwirkung ausreicht um die vollständige Füllung der Kapillare mit der Schmelze zu gewährleisten.

Die Werkstoffwahl für den Tiegel und das FormgebungsteiJ richtet sich nach der Zusammensetzung der Schmelze. Besteht die Schmelze z. B. aus Aluminiumoxid, werden der Tiegei und das Formgebungsteil vorzugsweise aus Molybdän oder Wolfram hergestellt

Bei dem EFG-Verfahren gemäß der US-Patentschrift 3591 348 entsteht auf der oberen Stirnfläche 10 des Formgebungsteils ein Schmelzenfilm 20, der die Stirnfläche 10 überdeckt und der Grundrißform der St-rnfläche entspricht Im gezeigten Beispielsfall der Vorrichtung nach F i g. 1 — mit einer ringförmigen Stirnfläche des Foraigebungsteils 6 und des darauf erzeugten Schmelzfilms 20 — kann man somit einen kristallinen Körper in Form eines Rohrs 22 ziehen.

Gemäß Fig. 1 weist der Schmelzfilm 20 an seinem äußeren Rand einen Meniskus 24 und an seinem inneren Rand einen Meniskus 26 auf. Die beiden Menisken erstrecken sich jeweils zwischen einem Rand dei oberen Stirnfläche 10 des Formgebungsteils 6 und der Wachstumszone, und er ist konkav, d.h. die beiden Menisken sind gemäß Fig.1 einwärts in Richtung aufeinander zu gekrümmt Wegen der schlechten Zugängüchkeit des inneren MenLkus 26 für eine Beobachtring während des Kristallwachstums wird in der Praxis nur der äußere Meniskus als Grundlage für die Überwachung und Regelung des Außendurchmes-

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sers des zu ziehenden Rohrs 22 gemessen. Wie erwähnt ändern sich die Höhe h sowie die Krümmung des Meniskus 24 bei Änderungen der Ziehgeschwindigkeit und/oder der Temperalur des Films 20, und sowohl der Innendurchmesser als auch der Außendurchmesser des entstehenden Rohrs 22 ändern sich bei einer Änderung der Höhe des Meniskus, Näherhin vergrößert sich der Innendurchmesser und verkleinert sich der Außendurchmesser ces entstehenden Rohrs bei einer Zunahme der Höhe dss Meniskus 24, und entsprechend verkleinert sich der Innendurchmesser und vergrößert sich der Außendurchmesser, bei einer Verringerung der Höhe des Meniskus. Jedoch ist der kleinstmögliche Innendurchmesser wie auch der größtmögliche Außendurchmesser des anwachsenden Ziehkörpers durch die entsprechenden Durchmesser der Stirnfläche IO bestimmt, denn der Schmelzenfilm 20 kann sich nicht über den inneren und den äußeren Rand der Stirnfläche 10 hinweg ausbreiten.

Wird die Temperatur des Films 20 im wesentlichen konstant gehalten, hat eine Erhöhung der Ziehgeschwindigkeit eine Vergrößerung der Höhe des Meniskus 24 und umgekehrt eine Verringerung der Ziehgeschwindigkeit eine Verringerung der Höhe des Meniskus zur Folge. Bei Konstanthaltung der Ziehgeschwindigkeit bewirkt eine Steigerung der Temperatur des Films 20 eine Vergrößerung der Meniskushöhe und entsprechend eine Herabsetzung der Temperatur eine Verkleinerung der Meniskushöhe. Da es relativ leicht ist, die Ziehgeschwindigkeit im wesentlichen konstant zu halten. z.B. mit einer Genauigkeit von etwa 1% des Sollwertes, und da die Höhe des Meniskus durch kleine Änderungen der Ziehgeschwindigkeit relativ wenig beeinflußt wird (so hat z. B. eine Änderung der Ziehgeschwindigkeit um 1% bei konstanter Filmtemperatur im wesentlichen keine Änderung der Meniskushöhe zur Folge) wird es vorgezogen, die Ziehgeschwindrgkeit konstant zu halten und die Regelung der Höhe des Meniskus durch die Einstellung der Wärmezufuhr zu bewirken, die ihrerseits — unter der Annahme konstanter Wärmeverluste durch Strahlung, Leitung usw. — praktisch die Temperatur des Films 20 regelt

Fig.2 zeigt einen Tiegel 30 mit einem darin angeordneten Formgebun_&jteil 32 zum Ziehen eines rohrförmigen Körpers nach dem eingangs erwähnten bekannten SFT-Verfahren gemäß der US-Patentschrift 34 71 266. Zu dem Formgebungsaggregat 32 gehört eine auf dem Boden des Tiegels 30 ruhende Platte 34; des weiteren ist ein rundes Rohr 36 vorhanden und eine konzentrisch in diesem angeordnete Stange 38. Die Teile des Kapillar-Formgebungsaggregats bestehen aus einem durch die Schmelze benetzbaren Werkstoff, der mit der Schmelze weder reagiert noch in ihr löslich ist.

Das Rohr 36 und die Stange 38 sind in Vertiefungen der Platte 34 eingeschweißt An seinem unteren Ende ist das Rohr 35 mit Schlitzen oder Bohrungen 40 als Einlaßöffnungen versehen, über die die Schmelze aus dem Tiegel 30 in den Ringraum 42 zwischen dem Rohr 36 und der Stange 38 eintreten kann. Der radiale Abstand zwischen der Stange 38 und der Innenfläche des Rohrs 36 ist so gewählt, daß der Ringraum 42 bezüglich der Schmelze 44 in dem Tiegel als Kapillarrohr wirkt. Am oberen Ende ist das Rohr 36 gemäß Fig.2 zur Bildung einer scharfen oberen Randkante mit einer Abschrägung 46 versehen. Die Stange 38 weist gemäß Fig.2 an ihrer oberen Stirnfläche eine konische Aussparung 48 auf, so daß auch sie eine scharfe Oberkante besitzt Die oberen Stirnkanten des Rohrs 36 und der Stange 38 liegen auf gleicher Höhe, und die Höhe des Kapillarrohraggregats ist so gewählt, daß bei einem bestimmten radialen Abstand zwischen der Stange und der Innenwand des Rohrs die Schmelze 44 durch Kapillarwirkung in dem Kapillarrohr nach oben steigt und das Kapillarrohr vollständig füllt, solange in dem Tiegel 30 ausreichend Schmelze vorhanden ist, um die Einlaßöffnungen 40 im eingetauchten Zustand zu halten. Der Tiegel 30 ist mit

ίο einer Abdeckung 50 versehen, welche mit einer Mittelöffnung des geringfügig überstehende obere Ende des Kapillaraggregats aufnimmt und einen Strahlenschutz für die Schmelze 44 bildet.

Die Vorrichtung nach Fig. 2 wird in einem Kristallziehofen angeordnet, wie er z. B. in der US Patentschrift 34 71 266 beschrieben ist: eine Charge aus dem zu verarbeitenden Material wird in den Tiegel eingetragen und zum Schmelzen gebracht, so daß die Schmelze die Kapillare 42 füllt. Zur Einleitung des Kristallwachstums wird ein Kristallkeim in die durch die Schmelze 52 in der Kapillare 42 gebildete Säule eingeführt und die Wärmeverteilung im oberen Ende der Säule 52 so eingestellt, daß es zu einem anhaltenden Kristallwachstum kommt, wenn der Kristallkeim mit einer nicht zu hohen Geschwindigkeit nach oben gezogen wird. Das Kristallwachstum breitet sich dabei in waagerechter Richtung über den gesamten ringförmigen Querschnitt der aus der Schmelze gebildeten Säule 52 aus. so daß der Ziehkörper die Form des in F i g. 3 gezeigten Rohrs54 annimmt.

F i g. 3 zeigt in größerem Maßstab die sich bei der Vorrichtung nach Fig.2 ausbildende Wachstumszone und veranschaulicht die erfindungsgemäße Überwachung dieser Wachstumszone. Beim Hochziehen des anwachsenden Kristallkörpers 54 (bzw. des Kris«a!lkeims) bewirkt die Oberflächenspannung, daß die die Säule 52 bildende Schmelze an dem Kristallkörper haften bleibt und sich über die Oberkanten des Formgebungsaggregats nach oben bewegt Das Kristallwachstum Findet dabei infolge der Wirkung der Oberflächenspannung an allen Punkten innerhalb des oberen Endes der durch die Schmelze gebildeten Säule statt, und die Schmelze bildet an den beiden Oberkanten der ringförmigen Kapillare einen äußeren Meniskus 56 und einen inneren Meniskus 58. Die beiden Menisken erstrecken sich jeweils von der betreffenden Oberkante des Formgebungsaggregats bis zu der Wachstumsgrenzfläche. Diese Menisken haben eine ähnliche Form wie die in Fig. 1 gezeigten Menisken 24 und 26. Die Form des Zichkörpers wird durch die Temperatur und die Temperaturgradienten im oberen Ende der durch die Schmelze gebildeten Säule bestimmt; ferner wird die Querschnittsform des Ziehkörpers durch die Ziehgeschwindigkeit und die Temperatur der durch die Schmelze gebildeten Säule beeinflußt

Ebenso wie bei dem EFG-Verfahren nach Fig. 1 hat es sich gemäß der Erfindung gezeigt, daß auch bei dem SFT-Verfahren die Höhe des äußeren Meniskus 56, d. h. die Strecke h gemäß F i g. 3 von der Ziehgeschwindigkeit und der Temperatur am oberen Ende der durch die Schmelze gebildeten Säule, d.h. an der Wachstumsgrenzfläche, abhängt, und daß der Außendurchmesser des wachsenden Rohrs umso kleiner und der Innendurchmesser des Rohrs umso größer wird, je größer die Höhe h des Meniskus 56 wird. Je kleiner umgekehrt die Höhe h des Meniskus wird, desto größer wird der Außendurchmesser und desto kleiner wird der Innendurchmesser des gezüchteten Rohrs.

Dabei wirkt sich bei beiden vorstehend beschriebenen bekannten Verfahren schon eine relativ kleine Änderung des Außendurchmessers des entstehenden rohrförmigen Körpers in einer relativ großen Änderung der Meniskushöhe h aus. So bewirkt beispielsweise bei Auslegung der Vorrichtungen nach Fig.! bzw. nach Fig.2 und 3 zum Ziehen eines Rohrs aus Saphir mit einem Außendurchmesser von 9,5 ± 0,075 mm unter Annahme einer konstanten Ziehgeschwindigkeit eine Änderung der Temperatur in der Wachstumszone, d. h. an dem äußeren Meniskus S6, um etwa 30°C eine Änderung des Außendurchrnessers des Rohrs unr, etwa ±0,075 mm, wobei die Änderungsrichtung davon abhängt, ob diese Temperatur erhöht oder gesenkt wird; gleichzeitig ändert sich hierbei die Höhe des t5 Meniskus, die gewöhnlich etwa 0,178 mm beträgt, je nach der Ziehgeschwindigkeit um 60% bis 100%. Da sich die Höhe des Meniskus sehr genau, beispielsweise mit einer Genauigkeit von etwa 0,0127 mm, messen läßt, läßt sich der Einfluß einer Änderung der Wärmezufuhr auf die Höhe des Meniskus in einfacher Weise feststellen und die Beaufschlagung der Tiegelheizein richtung des OLns kann so eingestellt werden, daß sich relativ genaue schrittweise Änderungen der Meniskushöhe ergeben; auf diese Weise ist eine genaue Regelung des Außendurchmessers des zu ziehenden Rohrs möglich.

Beispielsweise läßt sich die Höhe des Meniskus mit Hilfe eines Mikroskops genau messen, das in der Brennebene des Okulars eine Strichplatte aufweist; die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung eines derprtigen Mikroskops beschränkt, vielmehr könnten zum Messen der Meniskushöhe auch andere optische Vorrichtungen bekannter Art verwendet werden.

Bei einer bevorzugten Anwendung der Erfindung im Rahmen des Ziehens rohrförmiger Körper als Kolben für Lampen stellt die Bedienungsperson beispielsweise die Wärmezufuhr zu der Heizeinrichtung des Ofens so ein, daß der überwachte Meniskus auf einer Höhe gehalten wird, für welche durch Vorversuche unter Anwendung der gleichen konstanten Ziehgeschwindigkeit festgestellt wurde, daß man einen Kristallziehkörper erhält, dessen Außendurchmesser innerhalb der vorgeschriebenen Toleranzgrenzen iiegL Im Gegensatz zur Anwendung direkter Temperaturmessungen v.rmag die Bedienungsperson durch Messung der Meniskushöhe in einfacher Weise festzustellen, ob der Außendurchmesser des gezogenen Rohrs an der Oberoder der Untergrenze des Sollwertbereichs für den Außendurchmesser liegt und kann gegebenenfalls durch entsprechende Einstellung der Wärmezufuhr den Meniskus so einstellen, daß der Außendurchmesser des Rohrs innerhalb des vorgeschriebenen Toleranzbereichs gehalten oder bei dessen Überschreitung in diesen Bereich zurüCKgeführt wird. Da ein Rohr möglicherweise eine leicht ovale Querschnittsform annimmt, wird vorzugsweise die überwachte Meniskushöhe auf einem Wert gehalten, bei dem gewährleistet ist, daß sowohl der größte als auch der kleinste Außendurchmesser des Rohrs innerhalb der Ober- und Untergrenzen des Toleranzbereichs liegen.

Im Rahmen der beiden in den genannten US-Patentschriften beschriebenen bekannten Verfahren bietet die Erfindung dabei in einfacher und zuverlässiger Weise die Möglichkeit, mehrere kristalline Körper von gleicher oder unterschiedlicher Querschnittsform gleichzeitig zu ziehen, indem man mehrere gleiche oder auch verschiedenartige Formgebungsteile in einem gemeinsamen Tiegel und einer gemeinsamen Ziehvorrichtung anordnet. Die Erfindung erleichtert dabei das gleichzeitige Ziehen von Kristallkörpern, z. B. von Rohren, in der Weise, daß der Außendurchmesser jedes einzelnen Körpers innerhalb der vorgeschriebenen Toleranzgrenzen gehalten wird. Bei dieser V?.rfahrensweise braucht nur einer der verschiedenen Ziehkörpar zur Feststellung der Meniskushöhe optisch überwacht zu werden, und die Beaufschlagung der Heizeinrichtung des Ofens wird so eingestellt, daß die Meniskushöhe der überwachten Wachstumszone auf einem Wert gehalten wird, bei dem gewährleistet ist. daß der an dieser Wachstumszone gezogene Körper einen etwa in der Mitte zwischen den vorgeschriebenen Ober- und Untergrenzen liegenden Außendurchmesser erhält. Es ha. sich gezeigt, daß bei Anwendung dieses Überwachungsverfahrens auch die übiigen Ziehkörper Außeriabmessungen innerhalb der vorgeschriebenen ToIeranzgrenzen aufweisen.

F i g. 4 zeigt auf welche Weise sich ein Ofen der in den genannten US-Patentschriften beschriebenen Art abändern läßt, um eine optische Überwachung und Messung der Meniskushiihe mit Hilfe einer Mikroskopanordnung zu ermöglichen. Fig.4 zeigt einen Ofen, bei dem in einem Tiegel mehrere Formgebungsaggregate zum gleichzeitigen Ziehen mehrerer Kristallkörper nach dem beuhriebenen EFG-Verfahren vorgesehen sind; jedoch können selbstverständlich auch Tiegel- und Formgebungsaggregate zum Ziehen von Kristallkörpern nach dem beschriebenen SFT-Verfahren vorgesehen werden.

Gemäß F i g. 4 und 5 ist ein Tiegel 2 in einem Ofengeliäuse angeordnet, das zwei durch einen Abstand getrennte konzentrische Quarzrohre 60 und 62 aufweist, die miteinander einen am oberen und unteren Ende abgeschlossenen Ringraum bilden, durch den Kühlwasser geleitet wird, um die Quarzrohre auf einer sicherheitsmäßig zulässigen Temperatur zu halten sowie zur Absorption von Infrarotenergie, damit die Bedienungsperson das W. chstum des Erzeugnisses leichter beobachten kann. Die auf dem Tiegel aufliegende Platte 16 trägt drei Formgebungsaggregate 4a, 4b und 4c sowie ein Füllrohr 59 aus dem gleichen Werkstoff wie das Formgebungsaggregat. Das untere Ende des Füllrohrs 59 endet in einem kleinen Abfand über dem Boden des Tiegels 2, sein oberes Ende ragt über die Tragplatte 16 hinaus. Ferner ist ein Aufgabeoder Zuführrohr 61 aus Quarz oder einem anderen hitzebeständigen Werkstoff vorgesehen, das durch die beiden Rohre 60 und 62 des Ofens dichtschließend hindurchgeführt ist Das untere Ende der Zufuhrleitung 61 steht in Fiuchtung mit dem oberen Ende des Füllrohrs 59, jedoch nicht m Berührung damit. Das Füllrohr 59 und die Zufuhrleitung 61 dienen dazu, die Schmelze in dem Tiegel 2 ohne Unterbrechung des Kristallwachs::.=.... zu ergänzen. Jeweils ein rohrförmiger Körper wird aus einem Schmelzen-Film auf der oberen Stirnfläche der einzelnen Formgebungsaggregate gezogen, die gemäß F i g. 1 ausgebildet sind und von denen in F i g. 4 nur das Aggregat 4csowie das Füllrohr 59 sichtbar sind.

Gemäß der Erfindung ist ein kurzes Stück eines durchsichtigen Quarzrohres 64 in miteinander fluchtende öffnungen in den Rohren 60 und 62 des Ofens dichtschließend eingebaut, damit kein Kühlwasser aus dem Kühlmantel entweichen kann. An seinem inneren Ende ist das Rohr 64 offen, während sein äußeres Ende durch eine Stirnwand 66 abgeschlossen ist, um einen Austritt des gewöhnlich vorgesehenen inerten Gases

aus dem Ofen zu vermeiden bzw. in dem Ofen einen Unterdruck aufrechterhalten zu können. Das Rohr 64 ist von dem Ofen auswärts so nach oben geneigt daß seine Achse in Richtung auf das obere Ende eines der -'-ei Formgebimgsapgregaie, z. B. das Aggregat 4c, verläü

Die dem Ofen nach Fig.4 zugeordnete, hier nicht dargestellte. Ziehvorrichtung ist mit einer Ziehstange 68 versehen, an w. eicher ein Knstailkeimhalter 70 befestigt ist. an dem sich die erforderOche Zahl Kristallkeime, im vorliegenden FaIi drei Kristallkeime 72 befestigen lassen. Jeder der drei Kristallkeime, von denen in F i g. 4 nur eirer sichtbar ist. wird mit Hilfe des Halters 70 in senkrechter Ausrichtung bezüglich des jeweils zugeordneten der drei Formgebungsaggregate 4a bis 4c gehaltea Der Kristallkeimhalter 70 weist einen Schlitz 73 streichender Bre^e zur Aufnahme der Zufuhrleitung 6« auf derart daß die Zufuhrleitung die Auf- und Abwärtsbewegung des Halters 70 nicht behindert

Zur Überwachung und Messung des Meniskus des ausgewählten Formgebungsaggregats während des Kristallwachstums dient ein Mikroskop 74. das auf einem Halter 76 angeordnet ist der verstellbar mit einer stationären Halterung 78 verbunden ist ν eiche vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, einen Teil des Ofens bildet oder an einem stationären Teil des Ofens angebracht ist Beispielsweise, jedoch ohne Beschränkung hierauf, kann ein Stereomikroskop verwendet werden. Wesentlich ist daß das Mikroskop mit einer Fadenkreuz- bzw. Strichplatteneinrichtung versehen ist um die Höhe des Meniskus genau zu messea Für die praktische Anwendung der Erfindung wird vorzugsweise ein Stereo-Mikroskop benutzt das mit Okularen für eine zehnfache Vergrößerung ausgerüstet ist. wobei in eines der Okulare eine Stichplatte mit einer linearen Teilung oder eine Okularplatte eingebaut ist z. B. mit 200 Teilstrichen, von 0.0254 mm Abständen, bei zweifacher Vergrößerung. Die Oku'arscheibe ist so ausgerichtet daß die Skala als senkrechtes Bild erscheint, und das Mikroskop wird so auf das Rohr 64 ausgerichtet daß die Skala auf den zu überwachenden und zu messenden Meniskus fokussiert wird.

Die beschriebenen EFG- und SFT-Verfahren eignen sich außer zur Herstellung rohrförmiger Ziehkörper auch -uT Herstellung anderer Erzeugnisse, z. B. zar Herstellung von Stangen, endlosen Fäden. Bändern usw, wobei unabhängig von der jeweiligen speziellen Querschnittsform des Ziehkörpers die durch die Zifchschmelzzone stets durch mindestens einen Meniskus gekennzeichnet ist Bei massiven Stäben, Fäden und Bändern ist nur ein einziger Meniskus auf der Außenseite der Ziehschmelzzone vorhanden. Beim Ziehen rohrförmiger unrunder Körper, z. B. bei Hohlkörpern mit einem rechteckigen, quadratischen oder dreieckigen Querschnitt bestehen wiederum crMjnhl »in innprpr alc auch pin ünßprpr Mpniclrtic

Wie ebenfalls aus den eingangs genannten US-Patentschriften ersichtlich, eignen sich die EFG- und SFT-Verfahren in der Ausgestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Ziehen von Kristallkörpern aus den verschiedensten Materialien, u.a. insbesondere aus Aluminiumoxid bzw. Saphir, Rubin, Bariumtitanat, Berylliumoxid, Titandioxid, Chromoxid (CfoOj), Lithiumniobat, Lithiumfluorid (UF), Calciumfluorid (CaF₂) sowie Natriumchlorid. Die so erhaltenen Erzeugnisse können monokristallin sein oder aus zwei bis vier zusammengewachsenen Kristallen bestehen.

Im folgenden wird ein spezielles Beispiel beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten bezuglich der Anwendung der Erfindung ergeben.

Zur Durchführung des EFG-Verfahrens wird ein im wesentlichen gemäß F ig. 4 und 5 ausgebildetes Formgebungsaggregat aus Molybdän in einem Molybdän-Tiegel angeordnet und der Tiegel mit einem Vorrat aus festen Teilchen von Aluminiumoxid mit einem hohen Reinheitsgrad von über 99% gefüllt Das Formgebungsaggregat wird zusammen mit dem Tiegel in einen Kristallziehofen eingebracht Gemäß Fig.4 wird der Tiegel 2 auf kurzen Wolframstäben 80 in einem zylindrischen Wärmeaufnehmer 82 aus Kohlenstoff montiert, der seinerseits auf einer Wolframstaiige 84 angeordnet und befestigt ist welche in die nicht dargestellte Grundplatte des Ofens eingebaut ist. Die Außenfläche des Wärmeaufnehmers aus Kohlenstoff wird mit einer zylindrischen Strahlungsabschirmung 85 aus Kohlenstoffgewebe bewickelt Des weiteren ist eine Hochfrequenzheizspule 86 um den Wärmeaufnehmer 82 aus Kohlenstoff herum angeordnet

Die drei Formgebungsaggregate 4a bis 4c sind gleichartig ausgebildet: sie bestehen jeweils ebenso wie die Platte 16 und das Füllrohr 59, aus Molybdän, die Zufuhrleitung 61 aus -ilur-'.iiumoxid. Be: der Anordnung nach Fig. 1 und 4 hat die ringförmige obere Stirnfläche 10 der Kapillarrohrstangen 6 jeweils einen Außendurchmesser von etwa 9.6 mm und einen Innendurchmesser (Öffnung 8) von etwa 75 mm. die Kapillaren 12 besitzen jeweils einen Durchmesser von etwa 03 mm. Der Tiegel 2 hat im Inneren eine Tiefe von etwa 38 mm und sein Innendurchmesser beträgt ebenfalls etwa 38 mm. Die Stangen 6 weisen jeweils eine Gesamtlänge von etwa 35 mm auf und befinden sich an ihrem unteren Ende jeweils in einem Abstand von etwa 32 mm vom Tiegelboden. Mit ihren oberen Enden ragen die Stangen 6 über die Oberseite der Platte 16 um etwa 1,6 mm hinaus. Das Füllrohr 59 hat einen Außendurchmesser von etwa 9.6 mm und einen Innendurchmesser von etwa 825 mm sowie eine solche Länge, daß sein unteres Ende einen Abstand von etwa 32 mm vom Tiegelboden aufweist; das obere Ende des Füllrohrs ragt über die Oberseite der Platte 16 um etwa 1.6 mm nach oben hinaus.

An dem Halter 70 werden drei gleichartige Kristallkeime 72 befesiigt bei denen es sich urn im wesentlichen monokristalline Rohre aus Aluminiumoxid handelt die vorher mit Hilfe der gleichen Tiegel- und Kapillaranordnung gezogen worden sind. Durch den von den Quarzrohren 60 und 62 gebildeten Wassermantel wird Kühlwasser geleitet die Ofenumschließung 88 wird evakuiert und dann auf einen Druck von etwa 1 bar mit Argon gefüllt. Die Hochfrequenzheizspule 86 wird mit Wechselstrom von 500 kHz beaufschlagt und so die Charge aus Aluminiumoxid in dem Tiegel 2 zum Schmelzen gebrach', wobei die Oberseite der Formgehnn£<a££rp£3fi" pine um ptvua 10° hie ?0T iihpr rfpm Schmelzpunkt des Aluminiumoxids liegende mittlere Temperatur annimmt Sobald das Aluminiumoxid geschmolzen ist steigt es in den Kapillaren 12 hoch und füllt diese vollständig. Hierauf wird die Zieheinrichtung des Ofens betätigt, um die drei Kristallkeime zur Berührung mit den oberen Stirnflächen 10 der drei Formgebunrsaggregate 4a bis 4cabzusenken.

Man läßt die Kristallkeime etwa 5 bis 10 see lang in Berührung mit den Werkzeugen; während dieser Zeit werden die unteren Enden der Kristallkeime zum Schmelzen gebracht, so daß sie Filme 20 nach Fig.! bilden, die auf den Stirnflächen 10 aufliegen und sie im

wesentlichen vollständig bedecken. Hierbei verbindet sich in jedem Fall der Film 20 mit den durch die Schmelze gebildeten Säulen in den Kapillaren 12. Nunmehr wird die Zieheinrichtung se betätigt, daß die drei rohrförmigen Kristallkeime mit einer Geschwindigkeit von etwa 6.4 bis 5.1 mm/min nach oben bewegt werden. Das anfängliche Hochziehen der Kristallkeime ist von einer Erstarrung von geschmolzenem Material aus der Schmelze begleitet das den Filmen entnommen wird, und bei der weiteren Aufwärtsbewegung der Kristallkeime kommt es am unteren Ende der einzelnen Kristallkeime zu einem Kristallwachstum. Zwar wird durch dieses Kristallwachstuni an den Kristallkeimen den Filmen 20 Material entnommen, doch wird dieses. Material ständig dadurch ergänzt daß den Filmen über die Kapillaren weiteres geschmolzenes Material zugeführt wird.

Während so an jedem der drei Kristallkeime Kristalle anwachsen, wird der Meniskus 24 des Films 20 auf der oberen Stirnfläche der Kapiliareinhei: 4c auf optischem Weg in der aus F i g. 4 ersichtlichen Weise mit Hilfe des oben erwähnten mit Okularen und einer Okularscheibe ausgerüsteten Stereo-Mikroskops überwacht Die Höhe des Meniskus 24 soll annähernd in der Mitte zwischen den Grenzwerten von etwa 0,1 und etwa OJmra gehalten werden. Zu diesem Zweck wird während des Kristallwachstums die Strombeaufschlagung der der Hochfrequenzheizspule 86 gegebenenfalls so variiert daß die Temperatur der aus der Schmelze gebildeten Filme 20 erhöht -Her gesenkt wird, um so die Höhe des Meniskus 24 bei der Einheit Ac nach Bedarf zu vergrößern oder zu verringern. Die Ziehgeschwindigkeii wird während des Kristallzüchturgsvorgangs konstant auf dem genannten Wert gehalten. Dem Tiegel 2 wird periodisch über die Zufuhrleitung 61 und das Füllrohr 59 weiteres pulverförmiges ,.Iuminiur oxid zugeführt um den Materiaivorrat in dem Tiegel zu ergänzen. Der Ziehvorgang wird etwa 4 Stunden lang fortgesetzt, danach wird die Ziehgeschwindigkeit auf etwa 25.4 mm je Stunde erhöht, wodurch die wachsenden Kristalle von den durch die Schmelze gebildeten Filmen 20 gelöst werden. Sodann schaltet man die Stromzufuhr zu der Heizspule 86 ab und läßt den Ofen abkühlen. Dann werden die Kristallkeime und die abgezogenen Rohre von dem Halter 70abgenommen.

Die gemäß diesem Beispiel gezüchteten kristallinen Körper sind rohrförmig und im wesentlichen monokristallin. Ferner haben die Körper im wesentlichen an allen Punkten über ihre ganze Länge einen Durchmesser von etwa 93 mm. der nur um höchstens etwa 0.075 mm über- oder unterschritten wird.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile lassen sich leicht nachweisen, indem man das Verfahren gemäß dem vorstehend beschriebenen Beispiel auf zwei Weisen abändert. Die eine Abwandlung besteht darin.

bringen. Die andere Abwandlung besteht darin, daß zwar das gleiche Verfahren wie bei dem beschriebenen Beispiel angewendet wird, daß jedoch (a) einerseits die Höhe des Fiimmeniskus nicht gemessen wird, und daß (b) andererseits die Temperate am Rand des Films ständig mit einem optischen Pyrometer gemessen und die Zufuhr elektrischer Energie za der Hochfrequenzheizspule so geregelt wird, wie es erforderlich ist um die scheinbare Temperatur am Rand des Films auf einem um etwa 10° bis 20⁰C über dem Schmelzpunkt von Aluminiumoxid liegenden Wert zu halten.

Bei der ersten Abwandlung besteht die Tendenz zur Bildung ven Spannungen und Korngrenzen in den später gezogenen Teilen der Kristailkörper und einer häufig vorzeitigen Unterbrechung des Kristallwachs turns, aa die Schmelze au/ der Stirnfläche des Werkzeugs erstarrt Ferner ergeben ' ch erhebliche Abweichungen des A'iBendürchmessers der ilristaükörper vom Sollwert Diese Schwierigkeiten sind darauf zurückzuführen, daß die Temperatur des Schmelzenfilms nach beiden Richtungen infolge unvermeidlicher Stabilitätsabweichungen des Systems um bis zu 20° C variieren kann, und daß die Tcmpei atur des Schmelzfilms eine Abnahmetendenz zeigt wenn der gewachsene Kristall länger wird und sich der Vorrat des geschmolzenen Materials in dem Tiegel verringert

Bei der zweiten Abwandlung werden zwar die durch das Auftreten von Spannungen und Komgrenzen sowie einen vorzeitigen Abbruch des Ziehvorgangs infolge des Erstarrens der Schmelze auf dem Formgebungsteil bedingten Schwierigkeiten weitgehend verringert jedoch schwankt der Außendurchmesser der gezogenen Rohre und die Abweichungen des Außendurchmessers vom Sollwert an verschiedenen Punkten längs ein und desselben Rohrs überschreiten regelmäßig de.i Betrag von etwa 0.075 mm; außerdem weisen nicht alle drei Rohre den gewünschten Außendurchmesser von etwa 9.5 ± 0.075 mm auf. Wie erwähnt hat dies seine Ursache darin, daß infol^- Änderungen des Emissions- _A0 Vermögens das Pyrometer fehlerhafte Werte anzeigt und daß die Bedienungsperson anfänglich nicht erkennen kann, ob das aus dem Film gezogene, mit Hufe des Pyrometers überwachte Rohr einen Außendurchmesser von genau 93 mm hat. oder ob dieser Wert näher bei der oberen Toleizrugrenze von 93 ± U.O75 mm oder näher bei der untprer. Toleranzgrsnze von 9,5 — 0,075 mm liegt. S-^mit bietet die vorstehend beschriebene Erfindung den Vorteil einer verbesserten Ausbeute an brauchbaren Erzeugnissen. insbesondere bei gleichzeitigem Ziehen mehrerer Ziehkörper, bei denen die gleichen engen Toleranzen eingehalten werden wie bei dem beschriebenen Beispiel. Selbstverständlich kann bei der Anwendung der Erfindung auch in der Weise vorgegangen werden, daß die Temperatur an der Grenzfläche zwischen dem

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det wird, daß jedoch (a) einerseits die Höhe des Fiimmeniskus nicht gemessen wird, und daß (b) andererseits die Beaufschlagung der Hochfrequenzheizspule während des Kristallwachstums konstant auf dem Wert gehalten wird, der ausreicht, um anfänglich die Temperatur der oberen Stirnfläche des Formgebungsteils auf einen um etwa 10° bis 2O⁰C über dem Schmelzpunkt von Aluminiumoxid liegenden Wert zu konstant gehalten wird und die Ziehgeschwindigkeit variiert wird, um die Höhe des Meniskus 24 bzw. bei dem SFT-Verfahren des Meniskus 56 innerhalb des vorgeschriebenen Grenzen zu halten, so daß die Erzeugung von Körpern gewährleistet ist, die im wesentlichen konstante Außenabmessungen innerhalb des vorgeschriebenen Toleranzbereichs aufweisen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

030108/114

Claims

23 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Ziehen eines langgestreckten, kristallinen Körpers aus der Schmelze unter Ausbildung eines vertikalen Meniskus zwischen dem kristallinen Körper und der oberen Begrenzung eines mit wenigstens einer Kapillare versehenen Formgebungsteils, wobei die Kapillare die Verbindung mit der Vorratsschinelze herstellt und zur Konstanthaltung der Querschnittsabmessung des kristallinen Körpers die Ziehgeschwindigkeit und/ oder die Temperatur der Schmelze in der Ziehzone geregelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Meniskus optisch überwacht und die Ziehgeschwindigkeit bzw. die Temperatur so geregelt wird, daß die Höhe des Meniskus innerhalb vorbestimmter Grenzen bleibt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Meniskus mit Hilfe eines Mikroskops mit einer linearen Teilung im Okular überwacht wird.

3. Anwend\ji g des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2 beim gleichzeitigen Ziehen mehrerer kristalliner Körper mit gleicher Ziehgeschwindigkeit, wobei die Höhe eines Meniskus optisch überwacht wird.