Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Züchtung von Einkristallen, wobei man das
Ausgangsmaterial in einem Tiegel schmilzt, die Schmelze durch Kapillaren bis zu deren Öffnung steigen läßt
und dort mit einem Keimkristall abzieht, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Zahlreiche Verfahren zur Herstellung von Einkristallen sind bekannt Genannt seien das VERNEUIL-Verfahren
und seine Varianten, von denen eine von F. A. Halden und R. Sedlacek unter dem Titel: »Verneuil
Crystal Growth in the Arc-Imaee Furnaces, veröffentlicht
wurde in: The Review of Scientific Instruments, 34, Nr. 6, Juni 1963. In der DE-AS 12 04 837 und der GB-PS
10 30 053 sind Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung beschrieben, bei denen das Material durch
ein sich vom Boden des Schmelztiegels nach unten
ίο erstreckendes Rohr abgezogen wird. Das Rohr ist
innerhalb der Heiz- und Kühleinrichtungen angeordnet und es sind komplizierte Gaskreisläufe erforderlich um
die Vorrichtung so lange mit Schutzgas zu spülen, bis das Rohr durch geschmolzenes Material abgedichtet ist.
Aus der DE-AS 10 44 768 ist ein Schmelztiegel mit einer am Boden angeordneten Austrittsöffnung für die
Schmelze bekannt
Bei dieser Vorrichtung und der Arbeitsweise wird die Größe des entstehenden Stabquerschnitts durch die
Größe der Austrittsöffnung, die Höhe des Flüssigkeitsstandes über der Austrittsöffnung und durch die
Abziehgeschwindigkeit bestimmt.
Das CZOCHRALSKI-Verfahren ist ein weiteres bekanntes Verfahren, s. R. A. Laudise: »The Growth of
Single Crystals«, Solid State Physical Electronic Series, Prentice Hall Inc., herausgegeben New York 1970.
Herausgeber: Nick Holonyack ]r. Die Verfahren nach CZOCHRALSKI bestehen darin, daß man mit Hilfe
eines Einkristalls, der sich anfangs um sich selbst dreht,
jo aus einem geschmolzenen Bad senkrecht einen Kristall
zieht.
Diese Verfahren führen zu Einkristallen mit massiven geometrischen Formen, wie Zylindern oder Kegeln,
weshalb sie lange und sorgfältig bearbeitet werden müssen, um Einkristalle in der Anwendungsform, die
meistens eine dünne Platte ist, zu erhalten.
Modifikationen der Methoden von CZOCHRALSKI sind in DE-OS 22 54 615 und US-PS 37 65 843 sowie in
einer Veröffentlichung in Mat. Rest. Bull. VoI. 6;
S. 571-590 und 681-690 (1971) beschrieben. Dabei wird das Ansteigen der Schmelze in der nach oben
gerichteten Kapillare durch den auf die Schmelzenoberfläche ausgeübten Druck bewirkt. Dieser Druck muß
extrem konstant gehalten werden, da sonst das Gleichgewicht zwischen dem aus der Kapillare austretenden
Tropfen und dem darüber befindlichen, bereits erstarrten Kristall gestört wird.
Bei diesem Verfahren ist eine Unterbrechung des Vorgangs nötig, wenn die im Tiegel verfügbare
Schmelze erschöpft ist.
Ferner benötigen diese Verfahren Kristallisationsbehälter großer Ausmaße im Bereich von einigen Litern,
was einen beträchtlichen Nachteil darstellt, weil diese Behälter aus seltenen Metallen, wie Iridium, teuer sind.
Solche Behälter haben wegen der chemischen und thermischen Korrosion, der sie unterworfen werden,
eine auf einige Kristallisationen begrenzte Lebensdauer, was den Preis der Einkristalle beträchtlich erhöht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein kontinuierliches Verfahren zur Züchtung von Einkristallen
zu schaffen, das die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet, einfach durchführbar ist und keine
komplizierten Vorrichtungen erfordert.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und die Vorrichtung gemäß
Anspruch 4.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß man Einkristalle vorbestimmter Form herstellen kann, die
nicht oder kaum bearbeitet zu werden brauchen. Die erforderliche Vorrichtung weist einen Kristallisationsbehälter mit sehr geringer Ausdehnung a.jf.
Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich die Eigenschaft von kapillaren Rohren nnd Platten, die an
ihren beiden Enden offen sind, zunutze, daß sie Schmelzen unter Bildung eines Tropfens, der an ihrem
unteren Ende hängt, halten. Es ist tatsächlich bekannt,
daß eine Schmelze, die in eine Kapillare mit zwei offenen Enden gegeben wird, in Tropfenform abfließt,
bis die Schmelze eine bestimmte Höhe h aufweist, wobei sich ein an der unteren Kapillaröffnung hängender
Tropfen ausbildet.
Man erhält bei konstanter Temperatur und Druck ein im Gleichgewicht befindliches System, so daß kleine
Erschütterungen der Kapillare kleine Volumenänderungen des Tropfens hervorrufen, die durch umgekehrt
proportionale Volumenänderungen der im Kapillarinneren enthaltenen Flüssigkeit ausgeglichen werden. Die
Höhe h wird durch die unten gegebene Formel (I) für eine Kapillare mit Kreisquerschnitt gegeben:
in der
2A{\ + KR)
Rpg
A die Oberflächenspannung der Schmelze bei der
entsprechenden Temperatur,
ρ das spezifische Gewicht der Schmelze bei der
entsprechenden Temperatur,
g die Erdbeschleunigung,
R der innere Radius des Kapillarrohres,
Kr eine von der Art der Schmelze und der Form des Kapillarendes abhängige Konstante bedeuten.
Für eine Kapillare mit rechteckigem Querschnitt wird die Höhe h durch die Formel (II) wiedergegeben:
i=
A(I
+
Ke)
epg
in der
A1 Q und g-die oben angegebenen Bedeutungen besitzen,
e die Weite der Kapillare und
Ke eine von der Art der Schmelze und der Form des Kapillarendes abhängige Konstante bedeuten.
Der Stoff zur Herstellung des Einkristalls kann in jeder geeigneten Form zugeführt werden, beispielsweise
in Form von Kugeln, Körnern oder feinem Pulver. Die Korngröße liegt im allgemeinen zwischen 1 μΐη und
2 mm.
Man arbeitet je nach der chemischen Art des Kristalls und des Tiegelmaterials in einer geeigneten Atmosphäre.
Man kann beispielsweise unter Stickstoff, sauerstofffreiem Argon oder auch an Luft arbeiten.
Der Arbeitsdruck kann Atmosphärendruck oder ein verminderter Druck sein. Wenn nötig, kann man unter
einem Vakuum bis zu 1,333 · 10-^bar arbeiten.
Die Temperatur, auf die man den Stoff zur Herstellung des Einkristalls erwärmt, muß ausreichend
über dem Schmelzpunkt dieses Stoffs liegen, damit er gut schmilzt; sie beträgt beispielsweise für NaCI 825° C
(F = 800°C), Silizium 1440JC (F=HlO0C) und Aluminiumoxid
20750C (F = 2050°C). Die Temperatur muß etwa + 10° C auf dem gewählten Wert gehalten werden.
Dies stellt einen beachtlichen Vorteil gegenüber den Verfahren nach dem Stand der Technik dar, die eine
Temperaturregelung auf 0,5° C genau benötigen, da eine solche Regelung bei Temperaturen in diesem Bereich
sehr schwierig ist
Die Zuggeschwindigkeit des Keims nach unten liegt im allgemeinen zwischen 10 und 500 mm/h.
Die Speisungsgeschwindigkeit des Keims muß so sein, daß die pro Zeiteinheit zugeführte Stoffmenge in jedem
Moment im wesentlichen der Geschwindigkeit des in Keimform abgezogenen Stoffs ist So ist die Einspeisungsgeschwindigkeit
/^beispielsweise bei der Züchtung eines NaCI-Einkristalls mit einer rechteckigen Kapillaröffnung
von 15x1 mm, d.h. einem Querschnitt von
15 mm-', und einer Zuggeschwindigkeit von 30 cm/h: P= 30 χ 15 χ 10"2xc/[g/h], wobei d das spezifische
Gewicht des festen NaCl bedeutet:
d= 2,16 g/cm3
entsprechend
P= 9,7 g/h.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man durch sinnvolle WaM der Form des Kapillarendes
Einkristalle verschiedener Stärke oder Durchmesser erhalten. Es ist insbesondere möglich. Einkristalle einer
Dicke von 10 bis 12 mm mit Kapillaröffnungen einer Stärke von 1 bis 2 mm zu erhalten.
Die F i g. 1 und 2 verdeutlichen den Einfluß der Form des Kapillarendes auf die Stärke des erhaltenen
Einkristalls. Wenn das Ende einer Kapillare 2 entsprechend F i g. 1 ausgebildet ist, hat der erhaltene
Einkristall 4 eine Stärke, die im wesentlichen der Kapillarweite entspricht. Wenn man eine Kapillare
verwendet, deren Ende die in Fig. 2 wiedergegebene Form aufweist, hat der erhaltene Einkristall 4 eine
wesentlich größere Stärke als die Kapillare, da die Kapillaroberfläche durch die Schmelze benetzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Züchtung von Einkristallen aus verschiedenen Stoffen. Es
seien beispielsweise Natriumchlorid, Kaliumchlorid, reines oder dotiertes Silizium, undotiertes Aluminiumoxid,
dotiertes Aluminiumoxid, Yttriumgranat, die Spinelle genannt.
Der Tiegel kann jede geeignete Form annehmen. Der Oberteil der Kapillaröffnung kann unterhalb oder
oberhalb des Tiegelbodens liegen, wie in den Fig. 3
so bzw. 4 dargestellt.
Der Tiegel besteht aus einem Material, das gegenüber dem Stoff zur Herstellung des Einkristalls bei der
Arbeitstemperatur chemisch inert ist. Der Tiegel kann beispielsweise für NaCl-Einkristalle aus Platin sein, für
Silizium-Einkristalle aus gesintertem Siliziumcarbid, für Al2O3-Einkristalle aus Molybdän oder auch aus Iridium.
Der Mantel wird aus irgendeinem geeigneten
Material, beispielsweise Quarz, hergestellt Er kann auch aus Metall sein. In bestimmten Fällen, insbesondere zur
Herstellung von Aluminiumoxid- und Siliziumeinkristallen, muß der Mantel gekühlt werden. Die Kühlung kann
durch jedes geeignete Mittel, beispielsweise durch einen Kühlmantel et folgen, durch den Kühlwasser strömt.
Falls man einen einzelnen Zylinder, einen einzelnen Faden oder eine Platte herstellen will, verwendet man
eine Düse mit nur einer einzigen öffnung.
Der Querschnitt der kapillaren öffnung hat eine an die gewünschte Form des Einkristallquerschnitts ange-
paßte Form. Er kann beispielsweise für einen Einkristall in Fadenform kreisförmig sein und rechteckig für einen
Einkristall in Plattenform.
Falls man ein Rohr herstellen will, verwendet man eine Düse, die mehrere Kapillaröffnungen aufweist, die
im Kreis um die Achse des Tiegels zentriert angeordnet sind. Der Abstand zwischen zwei benachbarten
Kapillaren beträgt im allgemeinen das 2- bis 5fache des Durchmessers einer Kapillare. Der Radius des Kreises,
in dem die Kapillaröffnungen angeordnet sind, entspricht dem Radius des Rohres, das man ziehen will.
Je nach den Schmelzen und den Einkristallen, die man in Form eines Rohres ziehen will, kann die untere Form
der Düse zwei Hauptvarianten aufweisen, die in den F i g. 8 und 9 dargestellt sind.
Gemäß Variante 1 (Fig. 8) ist das Ende jeder
Kapillare so ausgebildet, daß sich ein hängender Tropfen bilden kann. In diesem Fall ist der Abstand
zwischen zwei benachbarten Kapillaren im allgemeinen ungefähr das 2fache ihres Durchmessers. Diese Variante
1 wird vorteilhaft angewandt, wenn die Schmelze das Material, aus dem die Kapillardüse hergestellt ist,
schlecht benetzt.
Gemäß Variante 2 (Fig.9) ist das Ende jeder Kapillare hohl und öffnet sich in einen Ring, der um die
Achse des Tiegels zentriert ist und über die ganze Oberfläche des unteren Tiegelteils gearbeitet wurde.
Das Heizsystem besteht beispielsweise aus einer Widerstandsheizung oder auch einer Hochfrequenzinduktionsheizung
mit an die Form und das Material des Tiegels angepaßten Spiralen, die bei 20 bis 500 kHz
arbeitet, um die Kopplung mit den Tiegelmaterialien zu sichern, und bis zu 50 kWh entwickelt.
Die Erfindung wird anhand der F i g. 5 beschrieben, in
der (1) den Tiegel. (2) die Kapillare, (3) den Stoff zur Herstellung des Einkristalls, (4) das Zuführungssystem.
(5) den Mantel mit einer unteren Öffnung (6) zum Durchlaß des Einkristalls (7), (8) den Keimträger, der
den vorgeformten Keim (9) trägt, und (10) das Heizsystem bezeichnet. Letzteres wird schematisch
durch Spiralen wiedergegeben, die entweder als strahlender Widerstand oder als Leiter für den
Hochfrequenzstrom zur induktiven Heizung dienen (obwohl die Wicklungen hier im Mantelinneren
abgebildet werden, können sie sich auch außerhalb des Mantels befinden).
Zur erfindungsgemäßen Züchtung eines Einkristalls bringt man den Tiegel (1) mit Hilfe der Heizvorrichtung
(10) auf die gewählte Temperatur, die oberhalb des Schmelzpunkts des Stoffes zur Herstellung des Einkristalls
liegt. Man beschickt anschließend den Tiegel (1) mit Hilfe des Autgabesystems (4) mit dem Stoff (3). Der
Stoff (3) schmilzt in dem Tiegel (1), die Kapillare (2) wird mit Flüssigkeit gefüllt und bildet an ihrem unteren Ende
einen Tropfen. Diesen Tropfen bringt man in Kontakt mit einem orientierten Keim (9) des herzustellenden
Einkristalls, indem man den Keimträger (8) nach oben bewegt Der obere Teil des Keims, der durch den
flüssigen Tropfen und durch die vom Tiegelboden abgestrahlte Wärme erhitzt wird, beginnt zu schmelzen
und stellt so eine nahtlose Verbindung mit dem flüssigen Tropfen her: dabei wird eine Flüssig-Fest-Fläche
geschaffen, auf deren Höhe das kristalline Wachstum stattfindet Wenn dieser Kontakt hergestellt ist, erhält
man ein System, das ohne weitere Pulverzuführung im
Gleichgewicht ist wobei in der flüssigen Zone je nach Druck der Schmelze in der Kapillarleitung und dem
Abstand der Keimspitze zum unteren Ende der Kapillarleitung in der flüssigen Zone veränderliche
Formen mit konkaven oder konvexen Oberflächen entstehen. Auf der Höhe des unteren Endes der
Kapillarleitung besteht ein Temperaturgradient in j Längsrichtung (in Achse des Kristallzugs). Die oben
beschriebene Flüssig-Fest-Fläche bleibt während des ganzen Verfahrens auf derselben Höhe dieses Gradienten.
Um das Kristailwachstum zu starten, bewegt man zuerst den Keim (9) nach unten, wobei man den oberen
in Teil des Tiegels mit dem Stoff zur Herstellung des Kristalls in dem Maße speist, wie sich die Flüssigkeit
verfestigt. Man paßt die Aufgaberate mit Hilfe eines nicht dargestellten Steuersystems, das die Kristallzuggeschwindigkeit
an die Aufgabegeschwindigkeil anpaßt, is an die Menge des hergestellten Einkristalls an. Man
erhält so ein kontinuierliches automatisches Wachstum des Einkristalls, der sich ohne Unterbrechung nach
unten entwickelt, wenn man die Stoffeinspeisung aufrechterhält und den gebildeten Einkristall nach unten
zieht.
Die vorliegende Erfindung hat zahlreiche Vorteile:
Man erhält Einkristalle einer gewünschten Form ohne oder mit nur sehr einfacher Bearbeitung,
das Verfahren ist kontinuierlich,
der verwendete Tiegel hat sehr geringe Ausmaße in der Größenordnung von 20 bis 50 cm3, was wegen
des hohen Preises des Tiegelmaterials besonders vorteilhaft ist,
die Heizleistung ist geringer als bei anderen Verfahren zur Einkristallzüchtung,
der gebildete Einkristall wird nach unten gezogen, wodurch auf Höhe der Wachstumsfront praktisch
die Kraft 0 angreift, bei demselben Durchmesser oder derselben Weite der kapillaren Öffnung ist es
möglich, je nach den Formen der Kapillarendung Einkristalle verschiedener Durchmesser oder verschiedener
Breite zu erhalten,
mit geeignet orientierten Keimen kann man Einkristalle in jeder Kristallrichtung des betreffenden
Einkristalls ziehen,
die Arbeitstemperatur braucht nur auf etwa ± 10°C
geregelt zu werden, was einen beträchtlichen Vorteil gegenüber den bekannten Methoden
bedeutet, die eine Regulierung auf ±0,5° C brauchen.
Die erfindungsgemäß hergestellten Einkristalle finden zahlreiche Anwendungen. So werden z. B. die
Rubineinkristalle als Schmuckwaren, in Uhren und elektronischen Geräten benötigt Saphireinkristalle
so werden für die Herstellung von Lasern, als Isolierplatten, die als Träger für elektronische Schaltkreise dienen,
und ais tranipäienie Fenster für Strahlungen vorn Ultraviolett bis ins nahe Infrarot verwendet Die
Siiiziumeinkristalle werden wegen ihrer Halbleitereigenschaft in der elektronischen Industrie, insbesondere
zur Herstellung von Transistoren und Fotoelementen zum Sammeln von Sonnenenergie verwendet Natriumchlorid-Einkristalle
werden in der Infrarot-Optik gebraucht Yttriumgranat-Einkristalle als Kristallaser
verwendet und Quarzeinkristalle als piezoelektrische Kristalle. Ferner lassen sich die Verwendung von
Einkristallfäden als Lichtleitungen (optische Leitungen) und Fasern zur Verstärkung von Stoffen wie Metall
oder Kunststoff nennen. Die Enkristallrohre werden für Natriumdampf- oder andere Alkalidampflampen und
zum Durchleiten von korrosiven oder biologischen Flüssigkeiten verwendet Die Erfindung wird anhand
der folgenden Beispiele erläutert:
Beispiel 1
Herstellung eines NaCI-Einkristalls
Der Tiegel besteht aus Platin, weist ein Volumen von 20 cm3 auf und ist in seinem unteren Teil von einer
Kapillaröffnung mit rechteckigem Querschnitt von Ix 15 mm auf einer Höhe von 10 mm durchbrochen.
Man speist den Tiegel mit Kochsalzpulver der Teilchengröße 0,1 mm und erwärmt ihn gleichzeitig an
Luft auf 825°C (F = 800°C für NaCl) mit Hilfe eines Hochfrequenzgenerators, der bei 20 kHz arbeitet und
eine Dauerleistung von 5 kWh erbringt. Die Temperatur wird während des ganzen Verfahrens auf diesen Wert
±10°C gehalten. Wenn sich der hängende Tropfen gebildet hat, bringt man eine Natriumchloridplatte von
rechteckigem Querschnitt 1 χ 15 mm, die als Keim dient, damit in Kontakt und zieht den Keim mit einer
Geschwindigkeit von 30 cm/h nach unten, wobei man gleichzeitig den Tiegel mit pulverförmigem Natriumchlorid
mit einer mittleren Geschwindigkeit von 9,7 g/h speist. Nach 20minütigem Ziehen erhält man eine Platte
von etwa Ix 15 mm Querschnitt und fast 100 mm Länge, nahezu planer Oberfläche und vollständiger
Transparenz. Im Rönlgendiffraktometer erscheint der Einkristall monokrisiallin und hat die kristalline
Ausrichtung des Keims bewahrt. Sein IR-Spektrum entspricht dem der reinsten bei den Herstellern
erhältlichen Produkte.
Beispiel 2
Herstellung eines Si-Einkristalls
Der Tiegel ist au« gesintertem Siliciumcarbid, weis?
ein Volumen von 20 cm3 auf und hat eine Kapillare mit rechteckigem Querschnitt Ix 15 mm. Der Tiegel ist
zusammen mit dem Einspeisungssystcm von einem
Quarzmaritel umgeben und wird mit einem Strom von sauerstofffreiem Argon gespült. Man speist den Tiegel
mit dotiertem Siliziumpulver hoher Reinheit, Korngröße 0,1 bis 1 mm, und erwärmt ihn mit einem
Hochfrequenzgenerator, der bei 300 kHz arbeitet und eine Dauerleistung von 10 kWh erbringt, auf
1440°C±10°C (F=1410°C für Si). Mit dem Tropfen, der sich am unteren Ende der Kapillarleitung bildet,
bringt man eine orientierte Siliziumplatte der Ausmaße 1x15 mm, die als Keim dient, in Kontakt und läßt den
Tropfen mit der Platte verschweißen.
Man beginnt, den Keim mit einer Geschwindigkeit von 50 cm/h nach unten zu ziehen und speist gleichzeitig
den Tiegel mit Siliziumpulver mit einer mittleren Geschwindigkeit von 19 g/h. Nach 20 Minuten Zug
erhält man eine Siliziumplatte von etwa 1x15 mm
Querschnitt und etwa 150 mm Länge mit einer relativ planen Oberfläche. In der Röntgendiffraktionsprüfung
erweist sich die Platte als einkristallin mit einem geringen Anteil von Körnern und die kristallographische
Orientierung ist mit der des Keims identisch.
Beispiel 3
Herstellung eines Saphir-Einkristalls (Ä-AIuminiumoxid).
Der Tiegel besteht aus Iridium, weist ein Gesamtvolumen von 20 cm3 auf und ist in seinem
unteren Teil von einer Kapillaröffnung mit rechteckigem Querschnitt 1 χ 15 mrn durchbrochen. Der Tiegel
wird von einem Mantel umhüllt, der mit einem Strom von sauerstofffreiem Argon gespült wird. Man beschickt
den Tiegel mit einkristallinen Aluminiumoxidkugeln von 0,05 bis 0,1 mm Durchmesser und erwärmt ihn mit Hilfe
eines Hochfrequenzgenerators, der bei 20 kHz arbeitet und eine Dauerleistung von 30 kWh erbringt, auf
2075°C±10°C (F=2050°C Tür W-AI2O3). Wenn sich am
unteren Teil der Kapillarleitung der Tropfen gebildet hat, bringt man ihn mit einer vorher orientierten dünnen
Platte eines Saphir-Einkristalls der Maße 1x15 mm, die
als Keim dient, in Kontakt und nach dem Verschweißen des Tropfens mit dem Keim beginnt man, den Keim mit
einer Geschwindigkeit von 30 mm/h nach unten zu
ίο ziehen. Gleichzeitig speist man den Tiegel mit einer
mittleren Geschwindigkeit von 18 g/h mit Aluminiumoxid. Man zieht 20 Minuten lang und erhält eine dünne
Saphirplatte von rechteckigem Querschnitt 1 χ 15 mm und 100 mm Länge, die transparent ist und eine relativ
ebene Oberfläche aufweist. Bei der Röntgendiffraktionsprüfung erweist sich diese Platte als einkristallin;
sie hat die kristallographische Orientierung des Keims bewahrt. Gemäß der optischen Prüfung besitzt die
Platte das Absorptionsspektrum des Saphirs und weist einige unregelmäßig verteilte Blasen auf.
Beispiel 4
Züchtung eines Einkristallfadens aus NaCl
Der Tiegel besteht aus Platin, weist ein Volumen von 20 cm3 auf und ist in seinem unteren Teil mit einer
Kapillaröffnung von rundem Querschnitt mit 0,5 mm Durchmesser über eine Höhe von 5 mm durchbrochen.
Man speist den Tiegel mit Natriumchloridpulver einer Korngröße 0,1 mm und erwärmt ihn gleichzeitig an der
Luft mit einem Hochfrequenzgenerator, der bei 20 kHz arbeitet und eine Dauerleistung von 5 kWh erbringt, auf
825°C. Die Temperatur wird auf diesen Wert mit ±10°C während des ganzen Verfahrens gehalten.
Wenn sich der hängende Tropfen gebildet hat, bringt man ihn mit einer kleinen Natriumchloridstange von
0,5 mm Durchmesser in Kontakt, die als Keim dient, und zieht den Keim mit einer Geschwindigkeit von 30 cm/h
nach unten, wobei man den Tiegel gleichzeitig mit einer Geschwindigkeit von 0,4 g/h mit pulverförmigem
Natriumchlorid speist Man zieht 20 Minuten lang und erhält einen Faden von kreisförmigem Querschnitt mit
etwa 0,5 mm Durchmesser und fast 100 mm Länge, der völlig transparent ist. Durch Röntgendiffraktion stellt
man fest, daß dieser Faden einkristallin ist und die kristalline Orientierung des Keims bewahrt hat. Das
Infrarotspektrum entspricht dem der reinsten, bei den Herstellern erhältlichen Produkte.
Beispiel 5
Herstellung eines Rohres aus Saphir
Man verwendet eine Moiybdändüse gemäß Variante 1 (F i g. 2). Die kapillaren Düsen haben einen Durchmesser
von 0,5 mm und sind in 13 mm Abstand entlang
eines Kreises vom Durchmesser 10 mm angeordnet Der Tiegel hat ein Gesamtvolumen von 20 cm3. Er ist
von einem Mantel umschlossen, der mit einem Strom von sauerstofffreiem Argon gespült wird. Man speist
den Tiegel mit einkristallinen Aluminiumoxidkugeln vom Durchmesser 0,05 bis 0,1 mm und erwärmt den
Tiegel auf eine Temperatur von 2075 ±10° C (Schmelzpunkt für «-Aluminiumoxid: 2050° C). Man erhitzt mit
einem Hochfrequenzgenerator, der bei 20 kHz arbeitet und eine Dauerleistung von 30 kW erbringt
Wenn sich erst am unteren Teil jeder Kapillarleitung
Tropfen gebildet haben, bildet sich schnell ein flüssiger hängender Ring, da die Tropfen, die die Düsenteile
zwischen den Kapillaröffnungen benetzen, sich verbinden. Mit dem Ring bringt man ein orientiertes
Saphirrohr, das als Keim dient und einen inneren Durchmesser von 9 mm und einen äußeren Durchmesser
von 11 mm aufweist, in Kontakt. Wenn der Ring mit dem Keim verklebt ist, beginnt man den Keim mit einer
Geschwindigkeit von 30 cm/h nach unten zu ziehen. Gleichzeitig speist man den Tiegel mit Aluminiumoxid
mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 135 g/h. Nach 20miniitigem Ziehen erhält man ein 100 mm langes
glasklares Rohr mit einem mittleren Innendurchmesser von 9 mm und einem mittleren Außendurchmesser von
11 mm. Durch Röntgendiffraktionsprüfung stellt man fest, daß das Rohr einkristallin ist und die kristallografische
Orientierung des Keims bewahrt hat. Das Rohr weist das optische Absorptionsspektrum des Saphirs auf
und zeigt einige unregelmäßig verteilte Blasen.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen