DE2704913C2 - Vorrichtung zur kontinuierlichen Züchtung von Einkristallen in Form von Platten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Weiteremwicklung der Vorrichtung zur kontinuierlichen Züchtung von Einkristallen (nach der Methode des hängenden Tropfens) gemäß dem deutschen Paient 35 373.

Die Vorrichtung gemäß dem Hauptpatent mit einem Tiegel, einem Teil, das eine oder mehrere Kapillaröffnung(en) aufweist, einer den Tiegel umschließenden Heizeinrichtung, einer Keimkristallhalterung und einer Einrichtung zur Axial- und Rotationsbewegung des Keimkristalls, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (1) in seinem unteren Teil eine Düse mit einer oder mehreren Kapillaröffnung(en) (2) aufweist, deren Achse parallel zu derjenigen des Tiegels (1) gerichtet ist und deren Höhe größer oder gleich der Höhe ist, bei der die Schmelze bei der jeweiligen Temperatur und dem jeweiligen Druck von der Kapillare gehalten wird, daß oberhalb des Tiegels (1) eine Einrichtung (4) zum Einspeisen von Ausgangsmaterial vorgesehen ist, die zusammen mit dem Tiegel (1) von einem Mantel (5) mit Kühleinrichtung umschlossen ist, der eine untere Öffnung (6) für den Austritt des Einkristalls (7), öffnungen für den Durchstrom von Gas und eine öffnung für die Versorgung der Heizeinrichtung (10) aufweist, und daß eine Steuereinrichtung für die Zieh- und die Einspeisegeschwindigkeit vorgesehen ist.

Mit einer Düse mit rechteckigem Querschnitt erzeugt man mit dieser Vorrichtung Platten.

Bei der Vorrichtung gemäß dem Hauptpatent sind die

65 unteren Lippen des unteren Endes der Kapillare in der gleichen Horizontalebene wie in der Fig. 1 dargestellt ist, in der mit 1 der Tiegel, mit 2 die Kapillare mit ihren beiden unteren Lippen 2* und 2" bezeichnet ist, während der geschmolzene, zum Herstellen des Einkristalls dienende Stoff 3 einen hängenden Tropfen 3' büdet, der sich am Ende der Kapillare bildet, bevor er mit einem vorgeformten Kristallkeim in dem unteren Teil der Kapillaröffnung in Berührung kommt

Dabei 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, bei der die Kapillare einen rechteckigen Querschnitt aufweist, mit der Ausnahme, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die unteren Lippen der Kapillaröffnung sich nicht auf der gleichen horizontalen Höhe befinden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die unteren Lippen der Kapillaröffnung um einen Höhenabstand von 1 bis 3 mm zueinander versetzt

Die F i g. 2 zeigt einen Tiegel 1, der eine Kapillaröffnung 2 aufweist, dessen untere Lippen 2' und 2" um eine Höhe h versetzt sind.

Die unteren Lippen der Kapillaröffnung können unterschiedliche Dicken aufweisen. Insbesondere kann die längere Lippe eine größere Dicke aufweisen, d. h. eine sehr viel größere Wandstärke besitzen, wie in der F i g. 3 dargestellt ist, um keine zu schnelle Abkühlung der Flüssigkeit des Tropfens zu bewirken.

Wie bei dem Hauptpatent können die unteren Enden der Kapillare abgeschrägt sein, wie in den F i g. 4 und 5 dargestellt ist.

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

Wie in dem Hauptpatent ausgeführt, kann der Tiegel sehr kleine Abmessungen in der Größenordnung von 20 bis 50 cm³ aufweisen.

Das Heizsystem wird von einer entsprechenden Vorrichtung gebildet, beispielsweise einer Widerstandsheizung oder einer Hochfrequenzinduktionsheizung, die in Spiralen entsprechend der Form und dem Material des Tiegels vorgesehen ist und bei 200 bis 500 kHz arbeitet, um die Kopplung mit den Materialien des Tiegels 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 Fig.6 dargestellt ist. Mit der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird in gleicher Weise gearbeitet wie im Hauptpatent beschrieben.

Es sei lediglich bemerkt, daß aufgrund des hängenden asymmetrischen Tropfens die Kapillarwirkung fortfährt,

eine regulierende Rolle zu spielen und zu keinen 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 2" und 2" der Kapillaröffnung 2 möglich ist, ermöglicht es insbesondere, die Anwesenheit von eventuellen Verunreinigungen, die Einschlüsse liefern — beispielsweise Stücke des Tiegels, die durch einen leichten Angriff erzeugt werden — ebenso wie die Anwesenheit von Mikrobiasen 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 ','-ristallisationsfront 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.

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 m Schmelzpunkt des Materials ohne Uberhitzungsrisiko.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Herstellung von Einkristallen aus NaCI, Si und AI2O3 (Saphir, dotiert oder nicht dotiert). Jedoch kann sie auch zur Herstellung von Einkristallen vsrwendet werden, die nachfolgende Eigenschaften besitzen: sie benetzen das Düsenmaterial, ohne es chemisch anzugreifen,

sie halten die zum erreichen der gewünschten kristallinen Phase notwendigen Atmosphäre und Drükke 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 einkristallinen Platten, für die zahlreiche Anwendungen bestehen. Beispielsweise werden Rubineinkristalle in der Schmuckindustrie, der Uhrenindustrie und in der Elektronik verwendet. Für Laser werden Saphireinkristalle, d.h. reines a-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 und Fotoelementen zum Einfangen von Sonnenenergie verwendet. Natriumchlorideinkristalle werden in der Infrarotoptik gebraucht Yttriumgranateinkristalle als Kristall-Laser und Quarzeinkristalle als piezoelektrische Kristalle verwendet.

Zur Erläuterung der Erfindung wi>-d nachfolgend ein Beispiel gegeben.

Beispiel

Herstellung einer monokrisur-nen
Platte aus Si

Der Tiegel besteht aus gesintertem Siliziumcarbid und weist ein Volumen von 20 cm³ und eine Kapillare mit rechteckigem Querschnitt von 1 · 15 mm auf, deren eine Lippe um 2 mm in bezug auf die andere verlängert ist. Der Tiegel ist zusammen mit dem Einspeisungssystern von einem Quarzmantel umgeben und wird mit einem Strom von sauerstofffreiem Argon gespült. Man speist den Tiegel mit dotierten Siliziumpulver hoher Reinheit, Korngröße 0,1 bis 1 mm, und erwärmt ihn auf eine Temperatur von 1500⁰C ± 10⁰C (Schmelzpunkt von Si: 1470⁰C) mittels eines Hochfrequenzgenerators, der bei 300 kHz arbeitet und eine Dauerleistung von 10 kW erbringt. Der Tiegel wird mit einer mittleren Geschwindigkeit von 283 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 letzteren keine sichtbaren Verunreinigungen mehr aufweist In diesem Moment bringt man den Tropfen, der sich am unteren Ende der Kapillare gebildet hat, mit einer orientierten Silizumplatte der Abmessungen 1 ■ 15 mm, die als Keim dient, ii; 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 Tiegel mit Siliziumpulver mit einer mittleren Geschwindigkeit von 283 g/h. Nach 20 Minuten Abziehen erhält man eine Siliziumplatte mit einem Querschnitt von etwa 1-15 mm und eine/ Länge von etwa 225 mm, die eine relativ plane Oberfläche aufweist. In der Röntgendii"-fraktionsprüfung erweist sich die Platte als einkristallin mif einem geringen Anteil an Körnern, wobei die kristallographische Orientierung mit der des Keims identisch ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Züchtung von Einkristallen mit einem Tiegel, der in seinem unteren Teil eine Düse mit einer Kapillaröffnung mit rechteckigem Querschnitt aufweist, deren Achse parallel zu derjenigen des Tiegels gerichtet ist und deren Höhe größer oder gleich der Höhe ist, bei der die Schmelze bei der jeweiligen Temperatur und dem jeweiligen Druck von der Kapillare gehalten wird, einer oberhalb des Tiegels vorgesehenen Einrichtung zum Einspeisen von Ausgangsmaterial, die zusammen mit dem Tiegel von einem Mantel mit Kühleinrichtung umschlossen ist, der eine untere Öffnung für den Austritt des Einkristalls, Öffnungen ■ für den Durchstrom von Gas und eine Öffnung für die Versorgung der den Tiegel umschließenden Heizeinrichtung aufweist, einer Keimkristallhalterung, einer Einrichtung zur Axial- und Rotationsbewegung des Keimkristalls, und einer Steuereinrichtung für die Zieh- und Einspeisegeschwindigkeit, nach Patent 2635373, dadurch gekennzeichnet, daß die unteren Lippen (2', 2") der Kapillaröffnung (2) sich nicht auf der gleichen horizontalen Höhe befinden.

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

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lippen (2', 2") verschiedene Dicken au.weisen.

4. Vorrichtung nzch Ans; /uch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die längere Lippe (2') die größere Dicke aufweist.