DE2325104C3 - Verfahren zum Ziehen eines langgestreckten, kristallinen Körpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein 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, wouii die Kapillare die Verbindung mit der Vorratsschmelze herstellt und zur Konstanthaltung der Querschnittsabmessung des kristallinen Körpers die Ziehgeschwindigkeit und/oder die Temperatur der Schmelze in der Zieh/one geregelt werden.

Kristallziehverfahren dieser Art auf welche sich die Erfindung speziell bezieht, sind in den US-Patentschriften 35 91348 (entsprechend DE-OS 19 35 372) und 34 71 266 (entsprechend DE-OS 17 69 481) beschrieben. Diesen Ziehverfahren und -Vorrichtungen ist gemeinsam, daß die eigentliche Ziehschmelze bzw. Ziehzone, aus welcher unmittelbar der Kristallstrangkörper gezogen wird, von der in einem üblichen Schmelztiegel befindlichen Hauptvorratsschmelzc räumlich und thermisch weitgehend getrennt ist und mit dieser lediglich über einen verhältnismäßig langen, dünnen Kapillarkanal ve^rbunden ist, welcher sich in vertikaler Richtung in einem in der Schmelze aufrcchtstchenden Formgebungsteil vom unteren Ende, wo er mit der Vorratsschmelze in Verbindung steht, /um oberen Ende, an welchem sich die Ziehschmelze bzw. Zieh/.one befindet, erstreckt.

Im einzelnen ist bei dem in F ι g. 1 der vorliegenden Zeichnung veranschaulichten Ziehverfahren nach der US-PS 35 91 348 (DE-OS 19 35 372) die Anordnung so getroffen, daß sich an der oberen Stirnfläche IO eines in die Vorratsschmclzc 14 eintauchenden im wesentlichen zylindrischen Formgebungsteils 4 aus einem durch die Schmelze benetzbaren Material ein dünner Schmelzen film 20 bildet, dessen Querschnittskonfiguration durch die Konfiguration de; gcnannien Stirnfläche IO bestimmt ist und ihrerseits die Oucrschnittskonfigura tion des aus der Ziehzone nach oben gezogenen Kristallstrangkörpers 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 Strangkörpern beliebigster Quer-

\f> schnittükonfiguration 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 Formgebungs-

Ji) tei. über dessen Länge erstreckende Kapillarkanüle 12

Bei dem in Fig. I gezeigten Ausführungsbeispiel eines EFG-Verfahrens ist eine rohrförrn^e ^uerschnittskonfiguration vorgesehen, indem das Formgebungsteil in seinem oberen Teil mit einer Mittelausneh-

2t mung 8 entsprechend etwa dem Innendurchmesser des gewünsch :en ^rohrförmigen Strangziehkörpers ausgebildet ist (hierbei bestellt die einzige Beschränkung darin, daß derartige inner .· Öffnungen in der Formgebungsteilstirnfläche einen gewissen Durchmesser nicht

in 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

ii massivem oder Vollquerschnitt beliebiger Querschnittskonfiguration.

Das in der US-Patentschrift 34 71266 (DE-OS 17 69 481) beschriebene andere Verfahren, auf welches siel die Erfindung ebenfalls bezieht, ist in den F ι g. 2 und

•tu 3 der vorliegenden Zeichnung verar-.chaulicht; von dem vorstehend behandelten EFC-Verfahren unterscheidet es sich im wesentlichen dadurch, daß hier nicht aus einem dünnen, an einer horizontalen oberen Stirnfläche des Formgebungsteils gebildeten Schmelzenfilm gezo-

-r> gen wird, sondern aus der oberen Mündung der Kapillarcnöffnuri (52 in den F-" ι g. 2 und 3) selbst. Dieses Verfahren ist unter der Bezeichnung SF-T-Verfahren geläufig (»Sclf-Filling-Tubew-Verfiihren), was als »Verfahren mit Ziehen unmittelbar aus der oberen öffnung

μι eines sich durch Kapillarwirkung selbst nachfüllenden Kapillarkanals« sinngemäß wiedergegeben werden kann. Hierbei wird die Querschnittsform des gezogenen Kristallstrangkörpers im wesentlichen durch die obere Miindungsöffnung der Kapillare (mit-)bcstimmt — im

>i Gegensatz, zu dem EFG-Verfahren, in welchem der Form der Kapillare als solcher keine Formgebungsfunktion zukommt. Das SFT-Verfahren kann in seiner einfachsten Ausführung mit nur einer Kapillare, aus welcher unmittelbar gezogen wird, zur Herstellung

mi entsprechender (vorzugsweise einkristallincr) Krislallfäden dienen; es ist jedoch nicht auf diese einfachste Querscliiiittskonfiguration beschränkt, sondern kan.i beispielsweise, wie die F-" i g. 2 und i der vorliegenden /echnurg erkennen lassen, auch zur Herstellung von

·., I iclilkönern wie etwn Rohren dienen indem als Kapill.in ein entsprechender Kapillarringkanal 52 im !"o'ingi'l-'ungsteil vorgesehen wird, dessen Spaltweite Kapilk'i abmessungen für die betreffend'· Schmelze

besitzt.

Den beiden vorstehend behandelten Verfahren, EFG bzw. SFT, auf welc'ie 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 bekannten Ziehverfahren erreicht, daß die eigentliche Ziehzone mit der Ziehschmelze, aus welcher unmittelbar gezogen wird (horizontaler Stirnflächenschmelzfilm am Formgebungsteil beim SFT-Verfahren) gegenüber schwer vermeidbaren Zusammensetzungsund Temperaturschwankungen (durch Material- oder Wärmekonvektionsströme) in der Hauptschinelze weitgehend geschützt ist, derart, daß beispielsweise die Hauptschmelze kontinuierlich oder absatzweise nachgefüllt werden kann, ohne daß sich die damit verbundenen unvermeidlichen örtlichen Zusammensetlungs- und Temperaturschwankungen störend auf den Ziehvor^an" auswirken Hierdurch läßt sich auch bei begrenzter Tiegelgröße eine voll-kontinuier.iche Arbeitsweise über längere Zeit und entsprechend große Längen des Strangerzeugnisses durch laufende oder absatzweise Aufgabe von Schmelzgut in den Schmelztiegel erzielen und mit verhältnismäßig geringem »pparativem Aufwand eine hohe Temperaturkonstanz in der eigentlichen Ziehzone gewährleisten.

Allgemein bestehe bei Kristallziehverfahren, bei welchen ein strangförmiger Kristall aus einer Schmelze gezogen wird, das Problem, bestimmte Sollwerte der Querschnittsabmessungen einzuhaken, insbesondere gleichbleibende konstante Querschnittsabmessungen Über die Siranglänge hin. Dieses Problem besteht wie gesagt bei allen derartigen Kristallstrangzichverfahren in hohem Maß. Bei den vorstehend abgehandelten ipcziellen EFG- bzw. SFT-Verfahren isi das Problem tier Steuerung, insbesondere Konstantregelung der Querschnittsabmessungen zwar gegenüber den Verfahren, bei wel.hen direkt aus der Hauptvorratsschmelzc gezogen wird, dadurch gemildert, daß das Formgebungsteil mit seinem kontrollierenden Bereich (obere Stirnfläche des Formgebungsteils beim EFG-Verfahren bzw. obere Mündungsöffnung der Kapillare im Formgcbungsteil beim SFT-Verfahren) außer der die Quertchnittskor.figuration bestimmendt.i FOrmgebungsfunktion auch eine gewisse Bestimmungsfunktion für die Querschnittsabmessungen ausübt. Gleichwohl besteht das Problem der Erzielung bestimmter gewünschter Sollwerte, insbesondere einer gleichbleibenden konstanten Querschnittsabmessung, auch bei dem FiFG- bzw SFT-Verfahrcn.

So können die beiden genannten Verfahren beispielsweise zum Ziehen von Rohren aus Alpha-Aluminiumoxid zur Vci wendung als Lampenkolben für die Herstellung von Flochtemperatur-Natriumdampflampen dienen. Flierbei ist es aus verschiedenen Gründen lind insbesondere zur Vermeidung von Schwierigkeiten beim dichten Verschließen der Rohrenden erforderlich, daß der Aiißendurchmesser der Rohre innerhalb relativ enger Toleranzen genau eingehalten wird. In einem typischen F'al! soll ein solches Rohr ζ. B. einen Aiißendurchmesser von etwa 9.5 mm erhalten, der mit einer Genauigkeit von ±0,075 mm eingehalten werden muß.

Bei den erwähnten FiFCi- b/w. SFT-Zichvcrfahrcn, auf welche sich die vo'Fjgcnde Erfindung bezieht, ist zwar die Stabilität des Ziehvorgangs (d. h. der unterbrechungsfreie Forlgang des Kristallwachstums) und auch die erhaltene Querschnittsfom relativ 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 \ erfahren die Ziehgeschwindigkeit und die Temperatur an der Kristallisntionsfläche innerhalb relativ weiter Grenzen schwanken, ohne daß das Krisiallwachstum unterbrochen wird und ohne daß sich eine größere Veränderung bezüglich der Querschnittsform des anwachsenden Kristallkorpers ergibt. Hingegen besteht nach wie vor eine relativ kristische Abhängigkeit der Querschnittsabmessungen des gezogenen Kristall-Slrangkörpers von Schwankungen der genannten hauptsächlichen Ziehparameter: Ziehgeschwindigkeit und Temperatur in der Ziehzone. Dies macht eine Steuerung bzw. Regelung des Ziehvorgangs hinsichtlich der Erz^;''ung bestimmter ueu.ijnschter. insbesondere ki^nsüint*·" Oner^rhniiisnrimessungen erforderlich. Da die Ziehgeschwindigkeit verhältnismäßig einfach konstant gehalten λ erden kann, wird üblicherweise derart vorgegangen. da.'J man — sobald das Wachstum dos Knstallkorpen> mn der gewünschten Form eingesetzt hat — die Ziehgeschwindigkeit auf den gewünschten festen Wert einstellt und auf diesem konstanten Wert halt, und gleichzeitig du. Temperatur in der Kristallisdtionszone durch entsprechende Regelung der Wärmezufuhr zu der Ziehzone so einstellt bzw. regelt, daß möglichst konstante Querschmitsabmessungen erzielt werden. Diese Überwachung des anwachsenden Kristallkörpers und seiner Abmessungen zum Zweck der Kontanthaltung der Abmessungen innerhalb der vorgeschriebenen ToIerarizgrenzen ist jedoch, jedenfalls bei hohen Genauigkeitsanforderungen, schwierig. In diesem Zusammenhang ist /u berücksichtigen, daß etwa in dem erwähnten Beispielsfall des Ziehens eines Alpha-Aluminiumoxidrohrs zur Verwendung als Lampenkolben die Außenwa-'dung eine gewisse IJnrundheit aufweisen kann. derart, daß das Rohr praktisch eine ovale Form nut einem größten und einem kleinsten Durchmesser erhält. Wenn auch diese Unrundhei; verhältnismäßig geringfügig ist und der Unterschied /wischen Jern erwähnten größten und kleinsten Durchmesser in npischen Fällen 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. Regelung der Temperatur, um cJie Abweichungen bezüglicn Form und Abmessungen des F>ohrs in den vorgeschriebenen engen Grenzen zu halten.

Abgesehen von den Schwierigkeiten einer genauen Tcmperaturkonstanthaltung in der Ziehzone bereitet bereits die Überwachung b/w. Messung der Temperatur in der Ziehzone, ^A.h. an der Flüssig-Fest-Grenzfläche. mit der für die konstante Querschnittsabmessungen erforderlichen Genauigkeit und gleichzeitig ohne Störung des Kristallwachstumsvorganps erhebliche Schwierigkeiten. Bei Verwendung eines optischen Pyrometers zur Temperaturmessung besteht infolge der schlechten Zugängüchkcit und der verhältnismäßig geringen Gruße der Kristallisations/onc die Gefahr einer Vermischung der Pvrnmcleran/cige durch das

engbenachbarle, \ crhiillriism.i lig große, als Wanne strahlungsquelle wirkende Fonngehungsieil sou ic durch eventuell vorgesehene Strahlung¹.,ihschirnnorrichtungen. Selbst wenn jedoch das Pvrometer d:e i cmpcratür der Schmelze im Bereich der knsiallisationszonc genau mißt, bedeutet eine Änderung der Temperaturanzeige nicht notwendigerweise, daß sieh der Aiißendurchmesser des /n ziehenden Roms verändert hat. denn eine Teniperaturanderung kann durch eine Änderung der Ziehgeschwindigkeit ausgeglichen worden sein, derart, daß der Außendurchmesser des Rohrs tatsächlich unverändert bleibt. Außerdem ist. selbst wenn die genaue Temperatur der Kristallisations-/one und die Ziehgeschwindigkcit bekannt sind, für die bedienungsperson schwer feststellbar, ob sich der Außendurchmesser des wachsenden Rohrs innerhalb der Toleranzgrenzen hält oder die Ober- oder Untergrenze überschreitet, und ob und ggf. in welcher Richtung und in welchem Ausmaß daher eine Temperaturänderung veranlaßt ist. Wird die Temperatur der Kristallisationszone 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 einer größeren Anzahl von aus der gleichen Vorratsschmelze gespeisten Ziehstellen am oberen Euide von Formgebungsteilen; die erwähnten EFG- bzw. S FT-Verfahre η sind für diese im kommerziellen Maßstab wegen der hohen Produktivität besonders erwünschte Ausgestaltung als Vielfach-Ziehanlage von Haus aus besonders vorteilhaft, insofern hier durch die Trennung der jeweiligen Ziehzonen von der (gemeinsamen) Vorratsschmelze die (unterschiedliche) beeinflussung der einzelnen Ziehzonen durch Zusammenseizungs- bzw. Temperaturschwankungen in der Hauptschmelze von

gewisse Temperaturabweichungen zwischen den einzelnen Ziehstellen bei vertretbarem Aufwand auch hier unvermeidlich, so daß selbst eine genaue Temperaturbeobachtung und -messung an einer Ziehstelle und die dementsprechende Regelbetätigung zur Erzielung konstanter Querschnittsabmessungen dies nicht notwendigerweise an den übrigen Ziehstellen garantiert.

Grundsätzlich bestünde die Möglichkeit, die Steuerung, insbesondere Konstantregelung der Querschnittsabmessung des gezogenen Kristallstrangkörpers statt auf dem indirekten Weg über Tempera'urmessung und -steuerung direkt vorzunehmen, indem man die Regelgröße (Querschnittsabmessung des Kristallkörpers) direkt, beispielsweise optisch, überwacht und in Abhängigkeit davon die Verfahrensparameter (Ziehgeschwindigkeit, Wärmezufuhr zur Steuerung der Temperatur in der Ziehzone), im Sinn einer Steuerung, insbesondre Konstanthaltung, der Regelgröße (Querschnittsabmessung) verändert. Hierbei besteht jedoch die Schwierigkeit, daß je nach der gewünschten Regelgenauigkeit für die Querschnittsabmessungen 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 Fall des Ziehens eines

Rohistrangs von ca. I cm Aullculurchmcsser bei einei Änderung der temperatur in der Ziehzone um etw, 30 C der Außcndurchmesser sich nur um ctw; 0.07'j mm ändert. Die optische Überwachung derar geringer Abmessiingsändcrungen unter den relativ ungünstigen Umständen in der Ziehzone (schleclr·. Zugänglichkeil) bildet daher ein erhebliches Problem besonders schwierig wird es im I all von Hohlkörpern wobei Abmessungen an tier Innenseite ties I lohlkorper beobachtet werden müssen. Aus der DIi-OS 1-j 14 83' ist es in diesem Zusammenhang im Rahmen eine' herkömmlichen Verfahrens, bei welchem der Kristall körper direkt aus der Oberfläche der Hauptvorrats schmelze gezogen wird, bekannt, die Querschnittsah messung direkt zu überwachen, und zwar mit Hilfe vor Röntgenstrahlung; dies bedeutet jedoch ersichtlich einen erheb'ichen apparativen Aufwand und unterlieg gleichwohl nach wie vor dem vorstehend erwähntet Nachteil extrem hoher Uenauigkc'tsaniorderungcn im die Querschnittsabmessungsmessung.

Der Erfindung liegt daher als Aufgabe zugrunde unter den besonderen Bedingungen des FIG- bzw SFTZiehverfahrens (Ziehen aus einer Ziehschmelze an oberen Fnde einer Kapillare eines Formgebungsteils) ir einfacher und zugleich wirksamer Weise eine genant Steuerung, insbesondere Konstantregelung der Quer schnittsabmessung(en) des gezogenen Kristallstrang körpers /M ermöglichen, die bei einfachem apparativen Aufwand hohen Genauigkeitsanforderungen genügt.

Zu diesem Zweck ist bei einem Verfahren tin eingangs genannten Art gemäß der Erfindung vorgesc hen. daß die Höhe des Meniskus optisch überwacht um die Ziehgeschwindigkeit bzw. die Temperatur st geregelt wird, daß die Höhe des Meniskus innerhalb vorbestimmten Grenzen bleibt.

Der Erfindung liegt die überraschende F.rkenntnl· zugrunde, daß (a) die Höhe dieses Meniskus in einen eindeutigen Zusammenhang zu der eigentlich intercssie renden Regelgröße (Querschnittsabmessung) steht unc (b) Schwankungen der Ziehparameter (Ziehgeschwin digkeit: Temperatur in der Ziehzone) bzw. anderweitigt Qtnr .-τι-ΛΠλγ» ri^.1-, um «ir» \/io I f OfIi OC ctärtcr '.»11 f ftl^tf -._._c. _ - - - - --.

Meniskushöhe auswirken als auf die Querschnittsab messung, so daß also die Meniskushöhe ein wesentlich empfindlicheres Kriterium und eine wesentlich empfird lichere Anzeige für Änderungen der die Querschnittsab messung beeinflussenden Ziehparameter ist als die Querschnittsabmessung selbst. Beispielsweise äußer sich die o. e. Änderung der Ziehzonentemperatur urr 30^:C in einer Änderung der Meniskushöhe um 60 bi' 100%. gegenüber einer prozentualen Änderung dei Querschnittsabmessung um weniger als 1% (0.075 mir Änderung bei einem Außendurchmesser von 9.5 mm).

Nicht nur erhält man somit nach dem Grundgedanker der Erfindung, bezogen auf eine gegebene Schwankung der Ziehparameter (beispielsweise der Ziehtemperatur eine absolutwertmäßig wesentlich stärkere, deutlichere Änderung der Überwachungsgröße (Meniskushöhe) ah bei Überwachung der Regelgröße (Querschnittsabmes sung) selbst: diese erfindungsgemäß für die Überwa chung herangezogene Größe (Meniskushöhe) ist auch ir der Regel für eine beispielsweise optische Überwa chung besser zugänglich als die Querschnittsabmessuni selbst, jedenfalls, soweit es sich um Querschnittsabmes sungen an der Innen? eite von Hohlkörpern handelt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin dung ist dabei vorgesehen, daß die Höhe des Meniskui mit Hilfe eines Mikroskops mit einer linearen Teilung irr

( (kiiliii uberw .uiit und. Mil einer derartigen einlachen Mil .roski'piiherw achiing der Mcniskushohc NiIU sich iNiliui eine außerordentlich genaue I !berw achnng mid S ι cue πι π μ des Zieln organgs erzielen.

line besonders \<>rteilh,ifte Ausgestaltung (ier f ^Γ Τι η dung besieht in der Anwendung beim gleich/eiligen /lehen mehrerer kristalliner Körper mil gleicher /lehge:. iw indigkeit. wobei die Höhe eines Meniskus optisch überwacht wird Has erfindungsgeniarJe Steucrungs- bzw. Regelverfahren für die QiierscLnittsabmessung eignet sieh besonders für eine derartige \nwenilung in Viclfach-Zichanlagen nach dem KRj- b/w. SlT-l'r in/ip, bei welchen eine größere Anzahl von /ichstellcn aus einer gemeinsamen Hauptvorratssclimelze gespeist wird, wobei sich nach dem crfindungsgemäßen Verfahren mil Überwachung nur einer /iehstelle eine gute Konstanz der Qucrsehnittsabmessungcn der .Strangkörper an allen Ziehstellcn innerhalb

Alis einer Artikelserie in »Materials Research Bulletin« 1971. Teil I (S. 571 bis 579). Teil Il (S. 581 bis 589). Teil III (S. 681 bis b90) ist im vorliegenden Zusammenhang lediglich der bekannte triviale Zusammenhang /wischen Ziehgeschvvindigkeit und Temperatur in der Zich/one einerseits und Quersehnittsabmessung andererseits, sowie die Bedeutung des Meniskus für die »Stabilität« b/w. einen »stationären Zustand« des Ziehverfahrens zu entnehmen. Die Angaben über »Stabilität« bzw. »stationären Zustand« stellen dabei keine Aussage über Querschnittsabmessungen dar. sonder., betreffen lediglich den unterbrechungsfreien Fortgang des Kristallwachstums beim Ziehen durch Gewährleistung eines Gleichgewichtszustandes zwischen durch Kapillarkräfte zugeführter Schmelze und .Schmelzenverbrauch durch das Kristallwachstum an der Grenzfläche flüssig/fest.

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

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

Fig. 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 SFT-Verfahren.

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

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

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

Die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung zum Ziehen eines rohrförmigen Körpers nach dem erwähnten bekannten Verfahren gemäß der US-Patentschrift 35 91 384 umfaßt einen Tiegel 2, mit einem Formgebungsieii in Form einer runden Stange 6. welche an ihrem oberen Ende mit einer axialen Blindbohrung 8 von runder

Querschniilslorm vergehen ist, so daß die St.wge eine ringförmige Slirnfläi he aufweist. Die Stangi h besieht ans einem durch die Schmelze benetzbaren Werkstoff, der mit der Schmelze weder reagiert noch in der Schmelze loslich ist. Der Durchmesser der Bimdbohrung 8 muß so groß sein, daß die Mündung am oberen fntte 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 linde in der Schmelze im Tiegel 2 mündet. In diesem lall muli der Durchmesser der Bohrung genügend groß sein, daß sie sich nicht infolge Kapillarwirkung mit der Schmelze füllt

Die das Formgebungstell bildende Stange 6 weist ferner mehrere sich in der Längsrichtung erstreckende Bohrungen 12 von kleinem Durchmesser auf. von denen in F ig. I nur zwei sichtbar sind, die im wesentlichen in gleichmäßigen Winkelabständen um die Achse der S!:i:i"e verteil! 'Jüd se bemessen sind d:;ß sie be.'ii"!ii'h der Schmelze I ♦ 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 i g. I wird in einen Kristallziehofen eingebracht, wie er z. B. in ilen 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 Formgebungsteil richtet sich nach der Zusammensetzung der Schmelze. Besteht die Schmelze z. B. aus Aluminiumoxid, werden der Tiegel und das Formgebungsteil vorzugsweise aus Molybdän oder Wolfram hergestellt.

Bei dem EFG-Verfahren gemäß der US-Patentschrift 35 91 348 entsteht auf der oberen Stirnfläche 10 des Formgebungsteils ein Schmelzenfilm 20, der die Stirnfläche 10 überdeckt und der Grundrißform der Stirnfläche entspricht. Im gezeigten Beispielsfall der Vorrichtung nach Fig. 1 — mit einer ringförmigen Stirnfläche des Formgebungsteils 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 der 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 Zugänglichkeit des inneren Meniskus 26 für eine Beobachtung während des Krisialiwachsturns wird in der Praxis nur der äußere Meniskus als Grundlage für die Überwachung und Regelung des Außendurchmes-

sei's des /u /irlii'ndeii Kölns 22 gemessen. Wie erwähnt andern sich die I lohe /) sowie die Krümmung des Meniskus 24 bei Änderungen der Ziehgcschw mtligkeit und/oder der I emperatnr des Films 20. und sowohl der Innendurchmesser als auch der Außentlurclimcsscr des entstehenden Rohrs 22 andern sieh bei einer Änderung der Höhe des Meniskus. Näherhin vergrößert sich der Innendurchmesser und verkleinen sieh tier Außenil.irehn'esser des entstehenden Rohrs hei einer Zunahme der Hohe lies Meniskus 24, und entsprechend verkleinert sich der Innendurchmesser und vergrößert »ich der Aiiltcndiirchmcsser. bei einer Verringerung der Höhe des Meniskus. |edoch ist der kleinstmögliche Innendurchmesser wie auch der größtmögliche Außen durchmesser des anwachsenden Ziehkörpers durch die entsprechenden Durchmesser der Stirnfläche 10 bestimmt, denn der Schmclzenfilm 20 kann sich nicht über ilen inneren und den äußeren Rand der Stirnfläche 10 liinweg ausbreiten.

Wird die Temperatur des Hirns A) im wesentlichen konstant gehalten, hat eine Erhöhung der Ziehgelchwindigkeit eine Vergrößerung der Höhe des Meniskus 24 und umgekehrt eine Verringerung der Ziehgeschwindigkeit eine Verringerung dei I lohe des Meniskus zur F-'olge. Bei Konstanthaltung der Ziehgeichwindigkeit 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 Zichgeschwindigkeit im wesentlichen konstant /u 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. H. eine Änderung der Ziehgeschwindigkeit um lⁿ/o bei konstanter Filmtemperatur im wesentlichen keine Änderung der Meniskushöhe zur Folge) wird es vorgezogen, die Ziehgeschwindigkeit 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.

angeordneten Formgebungstei! 32 zum Ziehen eines rohrförmigen Körpers nacn 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 Kapülar-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 36 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 F i g. 2 an ihrer oberen Stirnfläche eine konische Aussparung 48 air", so daß auch sie eine scharfe Oberkante besitzt. Die oberen Siirnkanten des Rohrs Sb und der Stange 3H liegen auf gleicher Hohe ind die I lohe des kapillarrohraggi egals isi so gewählt, daß bei einem bestimmten radialen Abstand /wischen der Stange und der Innenwand de·. Rohrs tlie Schmelze 44 durch Kapillarwirkung in dem KapillaiTohr nach oben steigt und das Kapillnrrohr \ollstiinilig füllt, solange in dem Tiegel 30 ausreichend Schmelze vorhanden ist. um die Einlaßöffnungen 40 im eingetauchten Zustand zu halten. Der Tiegel 30 ist mit einer Abdeckung ^r0 versehen, welche mit einer Miilelöffnung des geringfügig überstehende obere Ende des Kapillaraggregats aufnimmt und einen Strahlen schutz furche Schmelze 44 bildet.

Die Vorrichtung nach F ig. 2 wird in einem Kristnllziehofeii angeordnet, wie er /. 13. in der US-Patentschrift 34 71 2hb beschrieben ist; eine Ch arge aus dem zu verarbeitenden Material wird in den Tiegel eingetragen und /um Schmelzen gebracht, so.daß oi-. Schmelze die Kapillare· 42 füllt. Zur Einleitung des Knstallwachstums wird cm Kristallkeim in die durch die Schmelze 52 in der Kapillare 42 ucbildete SiUiIe eingeführt und die Wiirmeverteilimg im oberen Finde 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 K ristall wachstum breitet sich dabei in waagerechter Richtung über den gesamten ringförmigen Querschnitt der aus der Schmelze gebildeten Säule 52 aus, so daß der Ziehkörper die Torrn des in Tig. J gezeigten Rohrs 54 annimmt.

F i g. 3 zeigt in größerem Maßstab die sich bei der Vorrichtung nach F i g. 2 ausbildende Wachstumszone und veranschaulicht die erfindungsgcinäße Überwachung dieser Wachstumszone. Beim Hochziehen des anwachsenden Kristallkörpcrs 54 (bzw. ties Kristall keims) bewirkt die Oberflächenspannung, daß die die Säule 52 bildende Schmelze an dem Kristallkörper haften bleibt Lind sich über die Oberkanten des Formgebungsaggregats n.ich oben bewegt. Das Kristallwachstum findet dabei infolge der Wirkung der Oberflächenspannung an allen Punkten innerhalb des oberen Endes der durch die Schmelze gebi.deten Säule

· ..i 1 —.

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 Wachstumsgrenzflächc. Diese Menisken haben eine ähnliche Form wie die in F i g. 1 gezeigten Menisken 24 und 26. Die Form des Ziehkörpers wird durch die Temperatur und die Temperaturgradienten im oberen Ende der durch die Schmelze gebildeten Säule bestimmt; lerner wird die Querschnittsform des Ziehkörpers durch die Ziehgeschwindigkeit und die Temperatur der durch die Schmelz.e gebildeten Säule beeinflußt.

Ebenso wie bei dem EFG-Verfahren nach F i g. 1 hat es sich gemäß der Erfindung gezeigt, daß auch bei dem SFT-Verfahren die Höhe des äußeren Meniskus 56, d. h. die Strecke Λ 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 Außendjrchmesser und desto kleiner wird der Innendurchmesser des gezüchteten Rohrs.

Dii.)ci wirkt sich bei beiden vorstehend beschriebenen bekannten Verfuhren schon eine reliiliv kleine Änderung des Außendurchmcssers des entstehenden rohrförmigen Körpers in einer relativ grollen Änderung der Meniskushöhe /ι ;uis. So bewirkt beispielsweise bei Auslegung der Vorrichtungen nach Γ ig. I b/w. nach I■'i g. 2 und ! /um Ziehen eines Kohrs ;ius Saphir mn einem Außeiulurchmesscr von <·).5 ± 0.075 mm unter Annahme einer konstanten Ziehgeschwindigkeit eine Änderung der Temperatur in der Wachstums/one. d. h. an dem äußeren Meniskus 56. um etwa 51! ( eine Änderung des Außendurchmessers des Rohrs um etwa ±0,075 mm. wobei die Änderungsrichtung davon abhängt, ob diese Temperatur erhöht oder gesenkt wird: gleichzeitig ändert sich hierbei die Höhe ties Meniskus, die gewöhnlich etwa 0,178 mm beträgt. |e nach tier Ziehgeschwindigkeit um 60% bis 100%. Da sieh die Höhe des Meniskus sehr genau, beispielsweise mii einer Genauigkeit von etwa 0,01 27 mm. messen lallt. lal.it sich der (.JnIIuB einer Änderung der Wärmezufuhr auf die Höhe des Meniskus in einfacher Weise feststellen und die Beaufschlagung der Tiegelhei/ein richtung des Ofens kann so eingestellt werden, daß sich relativ genaue schrittweise Änderungen der Meniskus höhe ergeben; auf diese Weise ist eine genaue Regelung des Aiißendurchmesscrs des /.u ziehenden Rohrs möglich.

Beispielsweise läßt sich die Höhe des Meniskus mit Hilfe eines Mikroskops genau messen, das in der Brennebene des Okulars eine Smehpiatte aufweist; die {',rfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung eines derartigen Mikroskops beschrankt, vielmehr konnten /um 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 fur 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 Kristall/iehkör-

Λ α ..n

vorgeschriebenen Toleranzgren/en liegt. Im Gegensatz zur Anwendung direkter Temperaturmessungen ver- ■■·' mag 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 Außendurchniesser 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 Querschniusform gleichzeitig zu ziehen, indem man mehrere gleiche oder auch verschiedenartige Formgebungsteile in einem gemeinsamen liege! und einer gemeinsamen Ziehvorrichtung anordnet. Die Hrfmdung erleichtert dabei das gleichzeitige Ziehen von KnMallkörpcrn. /.Il \<m Rohren, in der Weise, daß tier A ißendurchmessci y. ■■." ein/einen Körpers innerhalb der vorgeschriebenen I oleran/gren/en gehalten und. Uci dieser Verfahrens w eise braucht nur einer tier \ ci'.chicdenen Ziehko.-per zur feststellung der Meniskushöhe optisch überwacht /u werden, und die Beaufschlagung der ! lei/.einnchtunt ties Ofens wird so eingestellt, daß die Meniskus höhe der überwachten Wac'nsuims/one aul einem wert gehalten wird, bei dem gewährleistet ist. daß der an dieser Wachstums/one gezogene Körper einen etwa in tier Mitle /wischen den vorgeschriebenen Ober- und I Intergi en/en liegenden Außenduichmjsser erhäi'.. I *· hat sich gezeigt, dab bei Anwendung dieses Überw.i chungsverfahrens auch die übrigen Zichkörper Außenabmessungen innerhalb tier vorgeschriebenen ToIe ranzgrenzen aufweisen.

I ι g. 4 zeigt auf welche Weise sich ein Ofen der in ilen genannten US-Patentschriften beschriebenen Art abändern laß:, um eine optische Überwachung und Messung tier Meniskushöhe mit I lilfe einer Mikroskopanordnung zu ermöglichen. Fig. -1 zeigt einen Ofen, bei dem in einem Tiegel mehrere Formgebungsaggregate /um gleich/eitigen Ziehen mehrerer Kristallkörper nach dem beschriebenen ITG-Verfahren vorgesehen sind; jedoch können selbstverständlich auch Tiegel und Formgebungsaggregate /um Ziehen von Knsiallk :- pern nach dem beschriebenen SFT-Verfahren vorgesehen w eitlen.

Gemäß F i g. 4 und 5 ist ein Tiegel 2 in einem Ofengehäuse angeordnet, das /w ei durch einen Abstand getrennte konzentrische Ouar/rohre 60 und 62 auf« eist, die miteinander einen am oberen und unteren l.ntle abgeschlossenen Ringraum bilden, durch den kühlwasser geleitet wird, um die Quarzrohre auf einet sicherheitsmäßig zulässigen Temperatur /u halten sowie zur Absorption von Inlrarotcnergie. damit tue Bedienungsperson das Wachstum des Fr/eugruvses leichter beobachten kann. Die auf dem Tiegei aufliegende Platte 16 trägt drei Formgebungsaggregaie •t.ι. 4ύ iiiiu 4f sowie ein Fuiirohr .5·» aus dem t'icitnen Werkstoff wie das Fornigebungsaggregat. Da. untere Ende des Füllrohrs 59 endet in einem kleinen Abstand über dem Boden des Tiegels 2. sein oberes Ende ragt über die Tragplatte 16 hinaus. Ferner ist ein Aufgebender 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 Zuführleitung 61 steh¹ in Fluchtung mit dem oberen Ende des '-"üllrohrs 59. jedoch nicht in Berührung damit. Das Füllrohr 59 und die Zufuhrleitung 61 dienen dazu, die Schmelze in dem Tiegel 2 ohne Unterbrechung des Kristallwachstums 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 4csow ie das Fülirohr 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 vorsesehenen inerten Gases

aus dem Ofen zu vermeiden bzw. in dem Ofen einen Unterdruck aufrechterhalten zu können. Dfs Rohr64isi von dem Ofen auswärts so nach oben geneigt, daß seine Achse in Richtung auf das obere Ende eines der drei Formgebungsaggregate, z. B. das Aggregat 4c, verläuft.

Die dem Ofen nach F i g. 4 zugeordnete, hier nicht dargestellte, Ziehvorrichtung ist mit einei Ziehstange 68 versehen, an welcher ein Kristallkeimhalter 70 befestigt ist, an dem sich die erforderliche Zahl Kristallkeime, im vorliegenden Fall drei Kristallkeime 72 befestigen lassen. Jeder der drei Kristallkeime, von denen in F i g. 4 nur einer sichtbar ist, wird mit Hilfe des Halters 70 in senkrechter Ausrichtung bezüglich des jeweils zugeordneten der drei Formgebungsaggregate Aa bis 4c gehalten. Der Kristallkeimhalter 70 weist einen Schlitz 73 ausreichender Breite zur Aufnahme der Zuführleitung 61 auf, derart, daß die Zufuhrleitung die Auf- und Abwärtsbtw egung 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 cin;:r stationären Halterung 78 verbunden ist. welche 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 vei sehen ist, um die Höhe des Meniskus genau zu messen. 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 Strichplatte mit einer linearen Teilung ode·· eine Okularplatte eingebaut ist. z. B. mit 200 Teilstrichen, von 0.0254 mm Abständen, bei zweifacher Vergrößerung. Die Okularscheibe 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 zur Herstellung anderer Erzeugnisse, z. B. zur Herstellung von Stangen, endlosen Fäden, Bändern usw.. wobei unabhängig von der jeweiligen speziellen Querschnittsform des Ziehkörpers die durch die Ziehschmelzzone 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. /.. B. bei Hohlkörpern mit einem rechteckigen, quadratischen oder dreieckigen Querschnitt, bestehen wiederum sowohl ein innerer als auch ein äußerer Meniskus.

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 (Cr₂Oj), l.ithiumniobat, l.ithiumfhiorid (LiF). Calcium fluoric! (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 bezüglich der Anwendung der Erfindung ergeben.

Zur Durchführung des EFG-Verfahrens wird ein im wesentlichen gemäß Fig. 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 Wolframstange 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 Wäirmeaufnehmer 82 aus Kohlenstoff herum angeordnet.

Die drei Formgebungsaggregate Aa bis 4c sind gleichartig ausgebildet; sie bestehen jeweils ebenso wie die Platte 16 und das Füllrohr 59. aus Molybdän, die Zufuhrleitung 61 aus Aluminiumoxid. Bei 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 7.9 mm. die Kapillaren 12 besitzen jeweils einen Durchmesser von etwa 0.3 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 3.2 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 8.25 mm sowie eine solche Länge, daß sein unteres Ende einen Abstand von etwa 3.2 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 Haller 70 werden drei gleichartige Kristallkeime 72 befestigt, bei denen es sich um im wesentlichen monokrisi.illine 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 Ofcnumschlicßiing 88 wird evakuiert und dann auf einen Druck von et λ ,ι I 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 gebracht, wobei die Oberseite der Formgcbungsaggrcgate eine um etwa 10' bis 20"C über dem Schmelzpunkt des Aluminiumoxids liegende mittlere Temperatip annimmt. Sobald das Aluminiumoxid geschmolzen ist, steigt es in den Kapillaren 12 hoch und füllt diese vollständig. Hierauf wird die Ziehcinnchtung des ofens betätigt, um die drei Kristallkeime zur ncniliiung mit den oberen Stirnflächen IO der drei f ι·· ingebungsaggregatc An bis 4cabzusenken.

Man läßt die Kristallkeime etwa 5 bis 10 see lang in Berührung mit den Werkzeugen; wahrend dieser /eil werden die unleren Enden der Krr.iallkeimc zum Schmelzen gebracht, so dall sie Filme 2(1 nach Fig I 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 so 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 Kristallwachstum 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 Kapillareinheit 4c auf optischem Weg in der aus F i g. 4 ersichtlichen Weise mit Hilfe des oben erwähnten mit ökularen und einer Ükularscheibe ausgerüsteten Stereo-Mikroskops überwacht. Die Höhe des Meniskus 24 iol! annähernd in der Mitte zwischen den Grenzwerten von etwa 0,1 und etwa 0,28 mm 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 oder gesenkt wird, um so die Höhe des Meniskus 24 bei der Einheit 4c nach Bedarf zu vergrößern oder zu verringern. Die Ziehgeschwindigkeit wird während des Kristallzüchtungsvorgangs konstant auf dem genannten Wert gehalten. Dem Tiegel 2 wird periodisch über die Zufuhrleitung 61 und das Füllrohr 59 weiteres pulverförmiges Aluminiumoxid zugeführt, um den Materialvorrat 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 70 abgenommen.

Die gemiiß 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 9,5 mm, der njr 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, daß zwar das grundsätzlich gleiche Verfahren angewendet wird, daß jedoch (a) einerseits die Höhe des Filmmeniskus nicht gemessen wird, und daß (b) andererseits die Beaufschlagung der Hochfrequenzheiz· »pule während des Kristallwachstums konstant auf dem Wert gehalten wird, der ausreicht, um anfänglich die Temperatur der oberen Stirnfläche des Formgebungstcils auf einen um etwa 10" bis 20"C über dem Schmelzpunkt von Aluminiumoxid liegenden Wert zu 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 Filmmeniskus nicht gemessen wird, und daß

(b) andererseits die Temperatur am Rand des Films ständig mit einem optischen Pyrometer gemessen und die Zufuhr elektrischer Energie zu der Hochfrequenzheizspule so geregelt wird, wie es erforderlich ist, um die scheinbare Temperatur am Rand des Film? auf einem um etwa 10° bis 20°C über dem Schir.eh punkt von Aluminiumoxid liegenden Wert zu halten.

Bei der ersten Abwandlung besteht die Tendenz zur Bildung von Spannungen und Korngrenzen in den später gezogenen Teilen der Kristallkörper und einer häufig vorzeitigen Unterbrechung des Kristallwachstums, da die Schmelze auf der Stirnfläche des Werkzeugs erstarrt. Ferner ergeben sich erhebliche Abweichungen des Außendurchmessers der ilristallkörper vom Sollwert. Diese Schwierigkeiten sind darauf zurückzuführen, daß die Temperatur des Schmelzenfilms nach beiden Richtungen infolge unvermeidlicher Stabilitätsabweichungen des Systems um bis zu 20⁰C variieren kann, und daß die Temperatur des Schmelzfilms eine Abnahmetendenz zeigt, wenn der gewachsene Kristall langer 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 Korngrenzen sowie einen vorzeitigen Abbruch des Ziehvorgangs infolge

3Q 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

J₅ desselben Rohrs überschreiten regelmäßig den 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 infolge Änderungen des Emissions-Vermögens das Pyrometer fehlerhafte Werte anzeigt, und daß die Bedienungsperson anfänglich nicht erkennen kann, ob das aus dem Film gezogene, mit Hilfe des Pyrometers überwachte Rohr einen Außendurchmesser von genau 9.5 mm hat, oder ob dieser Wert näher bei der oberen Toleranzgrenze von 9,5 ± 0.075 mm oder näher bei der unteren Toleranzgrenze von 9.5 — 0.075 mm liegt. Somit 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 eirjehalten 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 festen und dem flüssigen Material im wesentlichen 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 HIaIt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Ziehen eines langgestreckten, kristallinen Körpers aus der Schmelze unter Ausbildung eines vertikalen Mer.iskus zwischen dem kristallinen Körper und der oberen Begrenzung eines mit wenigstens einer Kapillare versehenen Formgebungsteils, wobei die Kapillare die Verbindung mit der Vorratsschmelze 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 v-.ird.

3. Anwendung 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.