DE2510684B2

DE2510684B2 - Mehrschichtiger Metalltiegel zum Ziehen von Kristallen

Info

Publication number: DE2510684B2
Application number: DE19752510684
Authority: DE
Inventors: Walter Dr. Schmidt; Franz Dr. 6450 Hanau Sperner; Walter Dr. Staehlin
Original assignee: Schweizerische Aluminium AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1975-03-12
Filing date: 1975-03-12
Publication date: 1979-03-15
Also published as: GB1540886A; JPS51114385A; CH612098A5; NL7602345A; FR2303599B1; FR2303599A1; DE2510684A1; DE2510684C3

Description

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Die Erfindung betrifft einen mehrschichtigen Metalltiegel zum Ziehen von Kristallen, insbesondere von Einkristallen nach dem sogenannten Czochralski-Verfahren. so

Herkömmliche Tiegel dieser Art bestehen aus dem Platinmetall Iridium mit einem Schmelzpunkt von 2454° C. Darin wird bei etwa 1800° C eine Schmelze bereitet, in diese ein sogenannter Impfkristall eingeführt und dieser unter Steuerung von Temperatur und Geschwindigkeit langsam aus jener aufgeschmolzenen Substanz gehoben, wobei an dem Impfkistall ein zylindrischer Kristall entsteht.

Als nachteilig bei den bekannten Iridiumtiegeln hat sich im wesentlichen deren verhältnismäßig kurzlebige Einsatzfähigkeit erwiesen. Dieser Mangel wird vor allem durch — trotz des gegenüber oxydierenden Stoffen relativ resistenten Verhaltens — auftretende Korrosion während des sich in der Regel über mehrere Stunden bis zu einigen Tagen erstreckenden Kristall- ^b5 zuchtvorganges hervorgerufen; die Tiegelinnenseite wird von der Schmelze so stark angegriffen, daß sich die Oberfläche zunehmend aufrauht und — so vergrößert — verstärkt korrodiert Die Korrosion tritt besonders im Bereich von Zonen erhöhter Temperaturen auf; die Korrosionsgeschwindigkeit ist als starke Funktion der Temperaturen zu erkennen.

Bei einem in das Feld einer Induktions-Heizspule als Suszeptor eingesetzten Tiegel wird direkt in diesen eingestrahlt wodurch sich — ein ungleichmäßiger Temperaturverlauf entlang der Tiegelachse einstellt.

Die kurze Verwendungsdauer eines Tiegels zwingt zu häufigem Wechsel; das — mit derzeit etwa 50,- DM/g — teuere Iridium des verbrauchten Tiegels wird nach Ausgleich des durch Gebrauch entstandenen Gewichtsverlustes zur Fertigung neuer Tiegel wieder verwendet; die Formkosten selbst sind ebenfalls außergewöhnlich hoch, da Iridium nur bei etwa 1200⁰C verarbeitet werden kann.

Gegenüber dem beschriebenen Tiegelaufbau vermag auch ein durch die FR-PS 15 22 509 vorgeschlagener Tiegel für Schmelzprozesse bei Temperaturen von mehr als 2000°C keine Besserung zu schaffen, der aus einem geschlossenen Wolframgefäß mit in diesem angeordneten iridiumnapf besteht.

So hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, die erkannten Mangel an Tiegeln der eingangs erwähnten Art zu beseitigen und zum einen die Herstellungskosten für formstabile Tiegel zu senken sowie zum anderen die Korrosion zu mindern.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt ein Metalltiegel mit einem Kern aus hochschmelzendem Metall und wenigstens einem diesen überziehenden Mantel, aus Platinmetall.

Im Rahmen der Erfindung liegt zudem ein Metalltiegel, dessen Seitenwand einen Kern aus hochsehmelzendem Metall mit wenigstens einem den Kern überziehenden Mantel aus Platinmetall aufweist und dessen Boden eine Schicht aus feuerfestem Werkstoff besitzt.

Der hochschmelzende Metallkern, der zur Einsparung von Iridium bevorzugt aus einer Tantal-Wolfram-Legierung, vor allem aus einer Tantal/10% Wolfram-Legierung, gefertigt wird, is; also von einem Platinmetall umgeben. Hierfür wird insbesondere ein Iridiummantel vorgeschlagen, welcher den Kern vor dem Sauerstoff in der Umgebungsatmosphäre schützt.

Durch eine erfindungsgemäße Aufteilung des Tiegels in einen Wandring und eine Bodenplatte aus feuerfestem Werkstoff — welche von einer Schicht aus dem Mantelmetall überspannt ist — werden weitere Einsparungen erzielt, da sie etwa aus Magnesiumoxid geformt zu werden vermag.

Zwischen jenem Iridiummantel und dem Ringkern ordnet man vorteilhafterweise eine Oxidschicht an, um ein Diffundieren zwichen Iridium und Kern hintanzuhaltcn. Ebenfalls wird die Außenfläche des Iridiummantels mit einer Oxidschicht überzogen; dieser in günstiger Weise als plasmagespritzte Zirkonoxidhaut ausgebildete Überzug verhindert das Abdampfen von lrO2 aus dem Iridiummantel.

Im Rahmen der Erfindung liegt auch, daß das Verhältnis der Stärke des Kerns des Mantels 3 :1 beträgt; beispielsweise kann eine Wandung bzw. ein Boden mit einem in radialer Richtung etwa 1,5 mm starken Tantal-Wolfram-Kern vorgesehen werden, den allseits ein ca. 0,5 mm dicker Iridiummantel verschließt; die Tiefe der zur Wandungsaußenfläche werdenden zweiten Zirkonoxidhaut kann geringer sein als die Stärke der inneren Oxidschicht, deren Stärke jener des Iridiummantels entspricht.

Ein derart ausgebildeter Tiegel weist besonders dann

eine lange Lebensdauer auf, wenn sein Innenraum mit einer gesonderten Schutzhaul aus Platinmetall ausgebildet ist; diese bietet die erforderlich saubere und glatte Begrenzung des Wachstumsraumes für den Kristall.

Eine derartige Schutzhaut von bevorzugt 0,3 mm Stärke wird insbesondere bei den beschriebenen Tiegeln aus einer mechanisch stabilen Ringwandung sowie davon getrennter BedenplaUe angebracht; diese wird nach Gebrauch des Tiegels abgehoben und die lösbare Schutzh«.ut ohne Aufwand entnommen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier in der Zeichnung wiedergegebener bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben; die Zeichnung zeigt in ihren beiden Figuren jeweils einen Tiegel im Querschnitt.

Im Gehäuse eines nicht dargestellten Ziehgerätes zur Züchtung von Kristallen — beispielsweise von Einkristallen nach dem sogenannten Czochralski-Verfahren — ist auf einer in der Geräteachse M verlaufenden vertikalen Welle 1 eine Tragvorrichtung 2 für einen Tiegel A angeordnet, den eine Hochfrequenz-Induktionsspule 3 umgibt.

jene Weile ί kann vertikal so verschoben werden, daß der Spiegel Sp einer im Tiegel A vorhandenen schmelze S konstant auf einem Niveau Hgehalten wird.

In die im Tiegel A befindliche Schmelze S ragt ein an einem vertikalen Ziehstab 4 hängender Impfkristall 5, der unter Bildung eines Kristalls K aus der Schmelze 5 gehoben wird; zur Steuerung dieses Vorganges ist der Ziehstab 4 mit einem nicht gezeigten Steuergerät verbunden.

Der Tiegel A ist nach Fig. 1 aus einer mehrschichtigen Platte Pdsr Stärke g(z. B. = 4 mm) auf dam Wege des Tiefziehens geformt. Einen inneren Kern 10 der

Stärke e (z. B. = 1,55 mm) aus einer Tantal/10% Wolfram-Legierung umschließt allseitig ein Iridiummaniel 11, dessen Schichthöhe /"im gewählten Beispiel mit etwa 0,5 mm angenommen wird. Zur Verhinderung eines Diffundierens zwischen dem Iridium des Mantels

ίο 11 und dem Tantal-Wolf ram-Kern 10 werden beide Schichten i0, 11 durch eine Zirkonoxidhaut (ZrOJ 12 getrennt. Ebenfalls findet sich an der Außenseite des Iridiummantels 11 eine Deckschicht 13 aus plasmagespritztem Zirkonoxid. Letztere ist geringfügig dünner (b in Fig. 1) als die etwa 0,5 mm starke Zwischenhaut 12.

Bei einer anderen Ausführungsform A\ nach F i g. 2 sind die Tiegelaußenwandung 20 und der Tiegelboden 21 getrennt; letzterer besteht aus einer Magnesiumoxid-Scheibe MgO, der die Tiegelwandung 20 als Ring aufsitzt. Im inneren Ringraum / ist eine zusätzliche dünne Iridiumhaut 22 der Wands'.vke a von etwa 0,3 mm mit Boden 23 als gegebenenfalls herausiösbare Auskleidung 24 vorgesehen.

Der ausgekleidete Innenraum / des Tiegels A\ bildet den Wachstumsraum für den aus der Schmelze 5 zu ziehenden Kristall K bei einer Temperatur von etwa 1800°C, die induktiv von der Hochfrequenz-Heizspule 3 erzeugt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mehrschichtiger Metalltiegel zum Ziehen von Kristallen, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Kern (10) aus hochsehmelzendem Metall und wenigstens einen diesen überziehenden Mantel (11) aus Platinmetall aufweist.

2. Mehrschichtiger Metalltiegel zum Ziehen von Kristallen, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand einen Kern (10) aus hochsehmelzendem Metall mit wenigstens einem den Kern überziehenden Mantel (11) aus Platinmetall aufweist, und daß der Boden (21) eine Schicht aus feuerfestem Werkstoff besitzt

3. Tiegel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch '⁵ gekennzeichnet, daß zwischen dem Kern (10) und dessen Mantel (11) eine Oxidschicht (12) angeordnet ist

4. Tiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (10) aus einer Tantal-Wofiram-Legierung und der Mantel (11) aus Iridium bestehen, und daß der Mantel (I I) zumindest an einer seiner Außenflächen mit einer Oxidschicht (12,13) überzogen ist

5. Tiegel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (12, 13) aus Zirkonoxid besteht

6. Tiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß das Verhältnis der Stärke (e) des Kerns (10) zur Stärke (f) des Mantels ^o (11)3 :1 beträgt

7. Tiegel räch einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daßHne den Innenraum (J) des Tiegels (A\) auskleidende Schicht (22) aus Platinmetall vorgesehen ist oV-en Stärke (a) der Stärke (b)der äußeren Oxidschient (13) entspricht.

8. Tiegel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (22) aus Iridium besteht und herausnehmbar ist.

9. Tiegel nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß der Boden (21) aus feuerfestem Werkstoff einstückig geformt ist.