DE2441835A1 - Kristallzuechtungsofen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kristallzüchtungsofen mit einer einen Schmelztiegel für eine Kristallschmelze einschließenden Kammer.

In bestimmten bekannten Kristallzüchtungskammern werden zum Aufheizen einer Kristallschmelze Hochfrequenz-Induktionsspulen benutzt. Bei diesen Kammern werden große Kühlspulensysteme zur Ableitung der von den Induktionsspulen erzeugten Wärme benötigt. Kammern dieses Typs erzeugen auch Gasströme hoher Geschwindigkeit, die Wärme von dem Schmelztiegel ableiten, in welchem die Kristallschmelze erhitzt wird. Versuche, diese Gasströme zu kontrollieren, wurden durch^;das Kühlspulensystem behindert, was dazu führte, daß es unmöglich war, um den Schmelztiegel herum vertikale und horizontale Temperaturgradienten aufrechtzuerhalten, die wesentlich sind, um Kristalle mit niedriger Versetzungsdichte und geringen Spannungen zu erzeugen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden,

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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Kristallzüchtungsofen der eingangs genannten Art gelöst durch eine Stützvorrichtung für die wahlweise Bewegung des Schmelztiegels innerhalb der Kammer, durch einen den Schmelztiegel umgebenden Heizwiderstand, durch einen den Schmelztiegel und den Heizwiderstand umgebenden Schutzschirm, durch eine mit dem Schutzschirm zusammenwirkende Innenplatte innerhalb der Kammer, die eine wärmehaltende Zone unterhalb der Innenplatte um den Heizwiderstand herum von einem oberhalb der Innenplatte liegenden Bereich abgrenzt und eine öffnung besitzt, durch die der Schmelztiegel in die wärmehaltende Zone hinein bzw. aus dieser herausschiebbar ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist um einen Schmelztiegel und einen Heizer herum eine Vielzahl von Schutzschirmen, Platten und Stützgliedern für die Schutzschirme angeordnet, wodurch eine heiße Zone zwischen diesen beiden Elementen geschaffen wird» Die Schutzschirme sind rohrförmig und in kurzem Abstand vom Heizer angeordnet. Die Stützglieder stützen die Schutzschirme auf den inneren Kammerwände ab. Eine Platte bedeckt die Oberseite der Schutzschirme und ist mit einer Öffnung versehen, durch die der Schmelztiegel hindurchgeschoben werden kann. Eine andere Platte ist unterhalb der Schutzschirme angeordnet und dient als Hitzeschild. Auf- oder absteigende Gasströme innerhalb der Kammer müssen durch die oben erwähnte heiße Zone hindurchgehen und werden von dort in den oberen Teil der Kammer geleitet. Das führt dazu, daß die Gasströme innerhalb der Kammer vermindert werden und daß die Temperaturgradienten um den Schmelztiegel herum so aufrechterhalten werden können, daß sie bei der Steuerung des Wachstums eines Kristall im Schmelztiegel helfen.

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Der Heizer ist vorzugsweise . ein Heizwiderstand, dessen Wände durch vertikale Rechteckwellensegmente gebildet werden. Durch Benutzung eines solchen Heizertyps ist es möglich,eine große Wärmemenge um den Schmelztiegel herum zu erzeugen und gleichzeitig genügend Platz zum Einbau von Schutz- und Leitschirmen zu schaffen, mit denen die Wärme um den Schmelztiegel herum gehalten wird und mit denen die Gasströme innerhalb der Kammer gesteuert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert, in welcher eine Seitenansicht eines Kristallzüchtungsofens teilweise im Längsschnitt dargestellt ist.

In der Zeichnung ist mit 10 eine Kammer bezeichnet, die eine obere Hälfte 13 und eine untere Hälfte 15 aufweist. Die Hälften 13 und 15 werden durch wassergekühlte Flansche 17 und 19 zusammengehalten. Mittels eines Flansches 21 am oberen Ende der oberen Hälfte 13 und eines Flansches 23 am unteren Ende der untern Hälfte 15 ist die Kammer 10 an einer nicht dargestellten Stützvorrichtung befestigt. An den Außenwänden der Kammer 10 sind Wasserkühlrohre 25 spiralförmig angeordnet. Die Wände und die Wasserkühlrohre 25 sind mit Kupfer beschichtet, so daß außerhalb der kammer 10 für einen gleichmäßigen Wärmefluß und eine- gleichmäßige Wärmeableitung gesorgt ist.

Ein am Flansch 23 befestigter Stützflansch 27 enthält eine Vielzahl von Öffnungen 22. Durch die Öffnungen 22 , die zur Aufrechterhaltung eines Druckniveaus innerhalb der Kammer 10 abgedichtet sind, gehen Elektroden 29, eine nicht dargestellte Verbindung zu einem

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Thermo-Element und eine Stütze 33 hindurch. Die Elektroden 29 liefern die elektrische Leistung für einen Heizer 41, die Thermo-Element-Verbindung überträgt ein die Temperatur um einen Schmelztiegel 39 herum darstellendes Signal, und die Stütze 33 trägt eine Aufnahmevorrichtung 37. Die Aufnahmevorrichtung 37 enthält den Schmelztiegel 39 in welchem eine Kristallschmelze durch einen Heizer 41 aufgeheizt wird. Dieser Heizer umgibt die Aufnahmevorrichtung 37 und besteht aus Materialien, die bei den Schmelztemperaturen der Kristallmaterialien, z.B. Galliumphosphid, beständig sind. Die Wände des Heizers 41 sind aus einer fortlaufenden Reihe von wellenförmigen oder quadratischen Elementen gebildet, die in vertikaler Richtung orientiert sind und sich vom Boden bis zur Oberseite der Wände erstrecken. Aber auch andere Heizerkonstruktionen können gleich wirksam sein, z.B. schraubenförmige Konstruktionen. Die Wände des Heizers 41 sind wesentlich länger als die des Schmelztiegels 39 und erzeugen einen kontinuierlichen Bereich von Temperaturgradienten längs ihres Längenbereichs. Der Schmelztiegel 3 9 kann so in den Heizer 41 hinein bis zu einem Punkt geschoben werden, an welchem eine Kristallschmelze innerhalb des Schmelztiegels 39 die erforderliche Wärmemenge erhält. Dieser Punkt kann zur Erfüllung der sich ändernden Wärmebedürfnisse der Schmelze während eines Kristallzüchtungsprozesses verändert werden. Zu diesem Zweck können die Aufnahmevorrichtung 37 und der Schmelztiegel 3 9 durch Drehung und Auf- und Abverschiebung der Stütze 33 in der Öffnung 22 des Stützflansches 27 gedreht und auf- und abwärts verschoben werden.

Aus schlecht wärmeleitenden Materialien hergestellte Schutzschirme 43 und 4 5 umgeben der Heizer 41 und halten die Wärme um den Schmelztiegel 39 herum. Zwischen den Schutzschirmen 43 und 45 ist ein Isolierschirm 44 angeordnet. Stützglieder 4 7 und 4 9 stützen die Schutz-

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schirme 43 bzw. 4 5 ab und dienen zu deren Befestigung an den Innenwänden 20 der Kammer 10. Unterhalb des Heizers 41 ist an den Innenwänden der Kammer 10 eine wärmende Platte 51 befestigt. Diese Platte besitzt eine Anzahl von Öffnungen, durch welche die Elektroden 22, die Stütze 33 und die Verbindung zum Thermo-Element hindurchgehen. Oberhalb des Heizers 41 ist an den oberen Enden der Schutzschirme.43 und 45 eine Innenplatte 53 befestigt. Diese Platte erstreckt sich innerhalb der Kammer von Wand zu Wand und besitzt eine Öffnung, durch welche die Aufnahmevorrichtung 3 7 hindurchgehen kann. Die Stützglieder 47 und 49, die Schutzschirme 43 und 45 sowie die Platten 51 und 53 begrenzen eine heiße Zone um den Heizer 41 und den Schmelztiegel 39, die abseits der kalten Wände der Kammer 10 liegt. Anfänglich gehen kalte Gase der Kammer durch diese heiße Zone, werden dort aufgeheizt und werden dann in die obere Hälfte 13 der Kammer 10 abgegeben. Wenn die Gase in der oberen Hälfte 13 abkühlen und das Bestreben haben, in den unteren Teil der Kammer zu strömen, müssen sie durch die heiße Zone hindurch, da alle anderen Wege durch die Zwischenplatte 53 und die Stützglieder 47 und 49 abgesperrt sind. Wenn diese Gase in die heiße Zone eintreten, werden sie schnell und in kurzer Entfernung vom Eintritt aufgeheizt und zurück in die obere Hälfte 13 der Kammer 10 geleitet. Diese Kontrolle über die Kammergase verhindert die Zirkulation von Konvektions-Gasströmen um.die heiße Zone herum und erlaubt die Bildung und Aufrechterhaltung von Temperaturgradienten um den Schmelztiegel 39 herum, so daß das Kristallwachstum gesteuert werden kann.

In der oberen Hälfte 13 der Kammer 10 befinden sich Sichtöffnungen 55 und 57, die eine ungestörte Beobachtung der Mündung des Schmelztiegels 39 erlauben. Die Sichtöffnungen 55 und 57 können, wie

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bei 56 dargestellt ist, verlängert und mit einer äußeren Linse 50 und einer inneren Linse 52 versehen sein. Diese Linsen bestehen aus geeignetem Material, z.B. Quarz, um den hohen Arbeitstemperaturen innerhalb der Kammer 10 zu widerstehen.

Eine am Flansch 21 befestigte Platte 9 weist eine Öffnung mit einer Dichtung zur Aufrechterhaltung eines Druckniveaus innerhalb der Kammer 10 auf. Durch diese öffnung erstreckt sich verschieblich und drehbar eine Stange 62. Die Stange 62 wird benutzt, um in eine Kristallschmelze in dem Schmelztiegel 39 einen Kristallkeim einzusetzen oder einen Kristall aus der Schmelze herauszuheben.

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Claims (2)

Case 838 . . Hewlett-Packard Company 29. August, 1974 PATENTANSPRÜCHE

1. Kristallzüchtungsofen mit einer einen,Schmelztiegel für eine Kristallschmelze einschließenden Kammer, gekennzeichnet durch eine Stützvorrichtung (33) für die wahlweise Bewegung des Schmelztiegels (39) innerhalb der Kammer (10), durch einen den Schmelztiegel umgebenden Heizwiderstand (41), durch einen den Schmelztiegel und den Heizwiderstand umgebenden Schutzschirm (43) , durch eine mit dem Schutzschirm zusammenwirkende Innenplatte (53) innerhalb der Kammer, die eine wärmehaltende Zone unterhalb der Innenplatte um den Heizwiderstand herum von einem oberhalb der Innenplatte liegenden Bereich abgrenzt und eine Öffnung (54) besitzt, durch die der Schmelztiegel in die wärmehaltende Zone hinein- bzw. aus dieser herausschiebbar ist.

2. Kristallzüchtungsofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kammer (10) eine obere Abschlußplatte (9) mit einer Öffnung aufweist, durch die eine Stange (62) für die Einbringung eines Kristallkeims in den Schmelztiegel (3 9) in die Kammer hineinragt.

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