DE2704913A1

DE2704913A1 - Vorrichtung zur kontinuierlichen zuechtung von einkristallen in form von platten

Info

Publication number: DE2704913A1
Application number: DE19772704913
Authority: DE
Inventors: Jean Ricard
Original assignee: Ugine Kuhlmann SA
Current assignee: Ugine Kuhlmann SA
Priority date: 1977-01-11
Filing date: 1977-02-05
Publication date: 1978-07-13
Also published as: CH617725A5; FR2376697A2; JPS5919914B2; JPS5387984A; DE2704913C2; FR2376697B2; IT1117104B; GB1572915A

Description

PATENTANWALT DR. HANS-GUNTHER EGGERT, DIPLOMCHEMIKER

5 KÖLN 51, OBERLÄNDER UFER 90

Köln, den 4. Februar 1977 Nr. 7

PRODUITS CHIMIQUES UGINE KÜHLMANN

25 boulevard de l'Amiral Bruix, 75116 PARIS (Frankreich)

Vorrichtung zur kontinuierlichen Züchtung von Einkristallen in Form von Platten

(Zusatz zu Patent/Patentanmeldung P 26 35 373.1)

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Züchtung von Einkristallen, die in Form von Platten vorgeformt sind, nach der Methode des hängenden Tropfens.

Die Deutsche Patentanmeldung P 26 35 373.1 beschreibt ein Verfahren zur kontinuierlichen Züchtung eines Einkristalls bestimmter Form, bei dem

a) der zur Herstellung des Einkristalls dienende Stoff in einen Tiegel gebracht, der in seinem unteren Teil eine Düse mit einer oder mehreren Kapillaröffnungen aufweist, wobei jede Kapillare eine Höhe besitzt, die größer oder gleich der Höhe ist, in der der geschmolzene Stoff bei der jeweiligen Temperatur und dem jeweiligen Druck der Kapillare gehalten wird,

b) der Stoff auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunktes erhitzt,

c) ein vorgeformter entsprechend orientierter Kristallkeim in Kontakt mit dem am unteren Ende der Kapillaröffnung gebildeten hängenden Tropfen gebracht,

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d) der Keim nach unten gezogen, wobei man den Stoff so in den Tigel einspeist, daß die pro Zeiteinheit eingespeiste Stoffmenge im wesentlichen in jedem Moment der in Form des Einkristalls abgezogenen Stoffmenge entspricht, und

e) in gewählten Zeitintervallen der gebildete Einkristall entfernt wird,

ebenso wie eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Züchtung von Einkristallen bestimmter Form, die folgende Merkmale besitzt:

a) Einen Tigel, der in seinem unteren Teil eine Düse mit einer oder mehreren Kapillaröffnungen besitzt, die eine Höhe aufweisen, die größer oder gleich der Höhe ist, in der der geschmolzene Stoff zur Herstellung des Einkristalls bei der jeweiligen Temperatur und dem jeweiligen Druck von der Kapillare gehalten wird,

b) eine den Tigel umgebende Heizvorrichtung

c) ein oberhalb des Tigels angebrachtes Einspeisungssystems für den Stoff zur Herstellung des Einkristalls,

d) einen den Tigel und das Einspeisungssystem umschließenden Mantel mit einer Kühlvorrichtung, der eine untere öffnung für den Durchgang des hergestellten Einkristalls, öffnungen für den Durchgang des Gases, daß die Arbeitsatmosphäre bildet, und öffnungen für den Zugang zum Heizsystem aufweist,

e) ein Trägersystem, das den vorgebildeten Einkristallkeim trägt,

f) ein System zum Bewegen des Trägers nach oben und unten und zum Drehen um sich selbst und

e) ein Steuersystem, das die Zuggeschwindigkeit des gebildeten Einkristalls mit der Einspeisungsgeschwindigkeit des Stoffs zur Herstellung des Einkristalls in Übereinstimmung bringt.

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Mit einer Düse mit rechteckigem Querschnitt erzeugt man auf diese Weise Platten.

Bei der Vorrichtung gemäß dem Hauptpatent/Patentanmeldung sind die unteren Lippen des unteren Endes der Kapillare in der gleichen Horizontalebene, wie in der beigefügten Figur 1 dargestellt ist, in der mit 1 der Tigel, mit 2 die Kapillare mit ihren beiden unteren Lippen 2¹ und 2" bezeichnet ist, während der geschmolzene zum Herstellen den Einkristalls dienende Stoff 3 einen hängenden Tropfen 3' bildet, der sich am Ende der Kapillare bildet, bevor er mit einem vorgeformten Kristallkeim mit dem unteren Teil der Kapillaröffnung in Berührung kommt.

Vor der Vorrichtung des Hauptpatents ist der flüssige Bereich, d.h. der flüssige Zwischenraum zwischen dem unteren Ende der Kapillare und der Spitze der aus dem Keim gebildeten Kristalls, in der Größenordnung von 0,1 bis 0,5 mm.

Es kann jedoch insbesondere zum Erleichtern der Kontrolle und der Regulierung der Durchsatzmenge ebenso wie zum Erleichtern der Kontrolle und der Qualität der Flüssigkeit wünschenswert sein, eine Vorrichtung zu schaffen, bei der der flüssige Bereich wesentlich größer ist.

Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.

Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist identisch zu derjenigen gemäß dem Hauptpatent/Patentanmeldung, bei der die Kapillare einen rechteckigen Querschnitt aufweist, mit der Ausnahme, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die unteren Lippen des unteren Teils der Kapillare sich nicht auf derselben Höhe befinden.

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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt daher

a) einen Tigel, der in seinem unteren Teil eine Kapillaröffnung mit rechteckigem Querschnitt aufweist, deren Höhe höher oder gleich der Höhe ist, in der der geschmolzene Stoff zur Herstellung des Einkristalls bei der jeweiligen Temperatur und dem jeweiligen Druck gehalten wird, und deren untere Lippen sich nicht in der gleichen horizontalen Höhe befinden

b) eine den Tigel umgebende Heizvorrichtung,

c) ein oberhalb des Tigels eingebrachtes Einspeisungssystem für den Stoff zur Herstellung des Einkristalls,

d) einen den Tigel und das Einspeisungssystem umschließenden Mantel mit einer Kühlvorrichtung, der eine untere öffnung für den Durchgang des hergestellten Einkristalls, Öffnungen für den Durchstrom des Gases, das die Arbeitsatmosphäre bildet, und öffnungen für den Zugang zum Heizsystem aufweist,

e) ein Trägersystem, das den vorgebildeten Einkristallkeim trägt,

f) ein System zum Bewegen des Keimträgers nach oben und unten und zum Drehen um sich selbst und

g) ein Steuersystem, das die Zuggeschwindigkeit des gebildeten Einkristalls mit der Einspeisungsgeschwindigkeit des Stoffs zur Herstellung des Einkristalls in Übereinstimmung bringt.

Diese unteren Lippen sind beispielsweise gemäß der Erfindung um eine Höhe h zwischen etwa 1 bis 3 mm zueinander versetzt.

Die beigefügte Figur 2 zeigt einen Tigel 1, der eine Kapillaröffnung 2 aufweist, dessen untere Lippen 2¹ und 2" um eine Höhe h versetzt sind.

Die unteren Lippen der Kapillaröffnung können unterschiedliche Stärken aufweisen. Insbesondere kann die längere Lippe

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Sr -

eine sehr viel größere Wandstärke besitzen, wie in der beigefügten Figur 3 dargestellt ist, um keine zu schnelle Abkühlung der Flüssigkeit des Tropfens zu bewirken.

Wie bei dem Hauptpatent/Patentanmeldung können die unteren Enden der Kapillare abgeschrägt sein, wie in den beigefügten Figuren 4 und 5 dargestellt ist.

Der Tigel wird aus einem chemisch gegenüber dem zur Herstellung des Einkristalls dienenden Stoff bei der Arbeitstemperatur chemisch inerten Material gebildet. Der Tigel kann beispielsweise zur Herstellung von NaCl-Einkristallen aus Platin, zur Herstellung von Siliziumeinkristallen aus gesintertem Siliziumcarbid und aus Molybdän zur Herstellung von AIjO.,- und Iridium-Einkristallen sein.

Wie in dem Hauptpatent ausgeführt, kann der Tigel sehr kleine Abmei
weisen.

ne Abmessungen in der Größenordnung von 20 bis 50 cm auf-

Das Heizsystem wird von einer entsprechenden Vorrichtung gebildet, beispielsweise einer Widerstandsheizung oder einer Hochfrequenzinduktionsheizung, die in Spiralen entsprechend der Form und dem Material des Tigels vorgesehen ist und bei 200 bis 500 kHz arbeitet, um die Kopplung mit den Materialien des Tigels sicher zustellen, und bis zu 50 kW entwickelt.

Der am Ende der öffnung der Kapillare gebildete Tropfen ist ein asymmetrischer hängender Tropfen, wie er schematisch in der beigefügten Figur 6 dargestellt ist. Das in dem Hauptpatent beschriebene Verfahren bleibt bei Verwendung der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung unverändert.

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- fs -

Es sei lediglich bemerkt, daß aufgrund des hängenden asymmetrischen Tropfens die Kapillarwirkung fortfährt, eine regulierende Rolle zu spielen und zu keinem Rinnen der Flüssigkeit längs der längeren Lippe führt.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zahlreiche Vorteile verbunden:

1. Die bessere visuelle Prüfung der Qualität der abgegebenen Flüssigkeit, die durch den Versatz h zwischen den beiden unteren Lippen 2¹ und 2" der Kapillaröffnung 2 möglich ist, ermöglicht es insbesondere, die Anwesenheit von eventuellen Verunreinigungen, die Einschlüsse liefern - beispielsweise Stücke des Tigels, die durch einen leichten Angriff erzeugt werden - ebenso wie die Anwesenheit von Mikroblasen von Gas oder flüchtigen Substanzen zu entdecken. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann daher die Qualität der Flüssigkeit kontrolliert und der Moment bestimmt werden, in dem man mit der Kristallisation beginnen kann.

2. Ferner ist die Möglichkeit des Messens der Temperatur längs der gesamten Flüssigkeit in einem horizontalen Streifen über der Kristallisationsfront gegeben. Diese leichtere Prüfung des horizontalen Temperaturgradienten über der Kristallisationsfront ermöglicht die Regulierung der Beheizung der Platte in der Weise, daß diese homogener gemacht wird und führt zu einer linearen Kristallisationsfront (d.h. einer ebenen Flüssig-Fest-Grenzschicht).

3. Die leichtere Kontrolle mit optischen Mitteln liefert die Möglichkeit, gegebenenfalls auf die Versorgung mit dem Einsatzmaterial einzuwirken.

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4. Die bessere Kontrolle des Flüssigkeitsaustritts ermöglicht es, mit größeren Austrittsgeschwindigkeiten als beim Hauptpatent zu arbeiten, die beispielsweise um 50 % erhöht sind.

5. Die exakte Steuerung der Temperatur der Flüssigkeit, die aufgrund des Versatzes der unteren Lippen der Kapillare möglich ist, erlaubt ein Arbeiten genau am Schmelzpunkt des Materials ohne Uberhitzungsrisiko.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Herstellung von Einkristallen aus NaCl, Si und Al-O, (Saphir dotiert oder nicht dotiert). Jedoch kann sie auch zur Herstellung von Einkristallen verwendet werden, die nachfolgende Eigenschaften besitzen:

Sie besitzen einen freien Schmelzpunkt, sie benetzen das Düsenmaterial, ohne es chemisch anzugreifen, sie halten die zum Erreichen der gewünschten kristallinen Phase notwendigen Atmosphären und Drücke aus, sie laufen durch den Schmelzpunkt bei Umgebungstemperatur, ohne kristalline Phasen zu durchlaufen, die Riß- und Bruchgefahr hervorrufen könnten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Herstellung von monokristallinen Platten, für die zahlreiche Anwendungen bestehen. Beispielsweise werden Rubineinkristalle in der Schmuckindustrie, der ührenindustrie und in der Elektronik verwendet. Für Laser werden Saphireinkristalle, d.h. reines

oC -Aluminiumoxyd, verwendet, während sie als isolierende Platten als Träger für elektronische Schaltkreise und als transparente Fenster für Strahlungen vom Ultraviolett bis ins nahe Infrarot verwendet werden. Siliziumeinkristalle werden wegen ihrer Halbleitereigenschaft in der Elektronikindustrie, insbesondere zur Herstellung von Transistoren

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und Fotoelementen zum Einfangen.von Sonnenenergie verwendet. Natriumchlorideinkristalle werden in der Infrarotoptik gebraucht, yttriumgranateinkristalle als Kristall-Laser und Quarzeinkristalle als piezo-elektrische Kristalle verwendet.

Zur Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend ein Beispiel gegeben.

Beispiel;

Herstellung einer monokristallinen Platte aus Si

Der Tigel besteht aus gesintertem Siliziumcarbid und weist ein Volumen von 20 cm und eine Kapillare mit rechteckigem Querschnitt von 1x15 mm auf, deren eine Lippe um 2 mm in bezug auf die andere verlängert ist. Der Tigel ist zusammen mit dem Einspeisungssystem von einem Quarzmantel umgeben und wird mit einem Strom von sauerstofffreiem Argon gespült. Man speist den Tigel mit dotiertem Siliziumpulver hoher Reinheit, Korngröße 0,1 bis 1 mm, und erwärmt ihn auf eine Temperatur von 1500° C + 10° C (Schmelzpunkt von Si : 1.470° C) mittels eines Hochfrequenzgenerators, der bei 300 kHz arbeitet und eine Dauerleistung von 10 kW erbringt. Der Tigel wird mit einer mittleren Geschwindigkeit von 28,5 g/h mit Si-Pulver versorgt. Man läßt Tropfen austreten, die am unteren Ende der Düse gebildet werden, bis die Kontrolle der Flüssigkeit ergibt, daß die letztere keine sichtbaren Verunreinigungen mehr aufweist. In diesem Moment bringt man den Tropfen, der sich am unteren Ende der Kapillare gebildet hat, mit einer orientierten Siliziumplatte der Abmessungen 1 χ 15 mm, die als Keim dient, in Kontakt und läßt den Tropfen mit dem Keim verschweißen. Man beginnt, den Keim mit einer Geschwindigkeit von 75 cm/h nach unten zu ziehen und speist gleichzeitig den Tigel mit Siliziumpulver mit einer mittleren Geschwindigkeit von 28,5 g/h. Nach 20 Minuten Abziehen erhält man eine Siliziumplatte mit einem Querschnitt von etwa 1 χ 15 mm und einer

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Länge von etwa 225 mm, die eine relativ plane Oberfläche aufweist. In der Röntgendiffraktionsprüfung erweist sich die Platte als monokristallin mit einem geringen Anteil an Körnern, wobei die kristallographische Orientierung mit der des Keims identisch ist.

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Leerseite

Claims

Patent a ns ρ r ft 'C^h1Ve

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Züchtung von Einkristallplatten mit einem Tigel, der in seinem unteren Teil eine Düse mit einer Kapillaröffnung besitzt, wobei die Kapillare eine Höhe aufweist, die größer oder gleich der Höhe ist, in der der geschmolzene Stoff zur Herstellung des Einkristalls bei der jeweiligen Temperatur und dem jeweiligen Druck von der Kapillare gehalten wird, mit einer dem Tigel umgebenden Heizvorrichtung, einem oberhalb des Tigels angebrachten Einspeisungssystem für den Stoff zur Herstellung des Einkristalls, einem den Tigel und das Einspeisungssystem umfließenden Mantel mit einer Kühlvorrichtung, der eine untere Öffnung für den Durchgang des hergestellten Einkristalls, Öffnungen für den Durchstrom des Gases, das die Arbeitsatmosphäre bildet, und Öffnungen für den Zugang zum Heizsystem aufweist, einem Trägersystem, das den vorgebildeten Einkristallkeim trägt, einem System zum Bewegen des Keimträgers nach oben und unten und zum Drehen um sich selbst und mit einem Steuersystem, das die Zuggeschwindigkeit des gebildeten Einkristalls mit der Einspeisungsgeschwindigkeit des Stoffs zur Herstellung des Einkristalls in Übereinstimmung bringt, nach Patent/Patentanmeldung P 26 35 373.1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaröffnung (2) rechteckigen Querschnitt besitzt und ihre unteren Lippen (2¹, 2") sich nicht auf der gleichen horizontalen Höhe befinden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lippen (2¹, 2") um einen Höhenabstand von 1 bis 3 mm zueinander versetzt sind.

80 98 2 δ /ία.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lippen (2¹, 2") verschiedene Dicken aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die längere Lippe (2¹) die größte Wandstärke besitzt.

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