DE2832150C2 - Verfahren zum Ziehen von kristallinen Saphirrohren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen von kristallinen Saphirrohren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist berei's bekannt, kristalline Saphirrohre mit einem Impfkristall von der Oberfläche eines schmelzebenetzten FormgebungSieils in tiner Inertgasatmosphäre zu züchten (DE-OS 26 1. 056).

Die nach dem bekannten V^ ."fahren gezüchteten Saphirrohre weisen jedoch Störungen in der mechanischen Festigkeit und Transparenz auf.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, das Verfahren der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß die danach hergestellten kristallinen Saphirrohre eine gleichmäßig hohe mechanische Festigkeit und eine gleichmäßige ungestörte Transparenz haben.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Maßnahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die kristallinen Saphirrohre unter solchen Verhältnissen gezüchtet werden, bei denen im gezüchteten Rohr keine Wärmespannungen auftreten, die zu einer Versetzung und Blockbildung führen könnten, so daß sich sehr hohe Festigkeitswerte und eine gute Lichtdurchlässigkeit ergeben. Eine Überschreitung des angegebenen Temperaturgradienten auf dem Ziehabsclinitt zwischen der Kristallisationsfront und dem Ziehabschnitt des Rohres führt zu einer merklichen Verschlechterung der Kristallstruktur und ergibt einen erheblichen Dichtesprung des dunklen, die Rohrwände überziehenden Beschlags sowie eine Zunahme der Anzahl der Gasbläschen pro Rohrvolumen. Extrem niedrige Temperaturgradienten auf diesem Ziehabschnitt ergeben keine merkliche Verbesserung der Struktur und somit der Transparenz des Rohres. Außerdem wird dabei die Durchführung des Prozesses unwirtschaftlich. Nach Abschluß der Züchtung werden die Saphirrohre durch eine starke Steigerung der Hubgeschwindigkeit der Impfkristalle oder durch Absenken des Tiegels mit den Formgebungsteilen nach unten von der Schmelze losgerissen. Die gezüchteten kristallinen Saphirrohre werden dann unter den genannten Bedingungen getempert und abgekühlt Eine Erhöhung der Tempertemperatur bzw. der Temperzeit über die genannten Werte hinaus verringert die Prozeßproduktivität, eine Absenkung der Temperatur oder eine Verkürzung der Temperzeit gegenüber den

ίο genannten Werten führt dazu, daß in den Saphirrohren eine unvollständige plastische Nachwirkung von Spannungen eintritt

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Querschnitt und

F i g. 2 die Temperaturverteilung auf dem Ziehabschnitt des Rohres zwischen der Kristallisationsfront und dem Ziehabschnitt mit einer Temperatur von 1850 bis 1900° C.

Die Vorrichtung von F i g. 1 hat eine hermetisch abgeschlossene Kammer 1, in der sich eine von einem runden Becher 3 und einer Induktionsspule 3' gebildete Induktionsheizung 2 für die indirekte Erhitzung befindet Innerhalb des runden Bechers 3 befindet sich ein Tiegel 4 mit einer Schmelze 5, der Formgebungsteile 6 aufweist, die mit Haarröhrchen 7 für die Zuführung mit ringförmigen Obe-'kanten 8 versehen sind. In der Höhe entspricht der runde Becher 3 mindestens der

jo dreifachen Höhe des Tiegels 4, wobei der Abstand vom Boden des runden Bechers bis zum Tiegelboden nicht kleiner als die Höhe des Tiegels 4 ist. Der über dem Tiegel befindliche Teil des runden Bechers ist in der Stärke reduziert und besitzt auf diesem Abschnitt eine Wanddicke von ¹At bis Ui der Eindringtiefe Δ des Induktionsstromes in den Werkstoff des runden Bechers, die sich aus

Δ = 5030

ergibt, worin

Q der spezifische Widerstand des Werkstoffs des runden Bechers in Ω cm, und

f die Frequenz des den Induktor durchfließenden Stromes in Hz

sind.

Die Höhe des in der Stärke reduzierten Teils entspricht ungefäiir der Höhe des Tiegels.

Über dem Tiegel sind sechzehn ortsfeste waagerechte Schilde 9 angeordnet. Davon bestehen acht untere Schilde aus einem elektrisch leitenden Werkstoff; sie sind im Hohlraum des runden Bechers auf dem Abschnitt mit reduzierter Wandstärke angeordnet.

Dadurch, daß auf diesem Abschnitt eine relativ dünne, (¹AbJs Ui)A betragende Wanddicke des runden Bechers 3 gewählt worden ist. werden diese Schilde unmittelbar durch den darin induzierten Strom erhitzt und weisen eine höhere Temperatur als im Falle der Verwendung von »passiven« Schilden auf. Die Schilde 9 weisen der Höhe nach nicht fluchtend untereinander angeordnete Bohrungen 11 zum Durchgang von konvektiven Gasströmen 12 auf. Die Bohrungen 11 sind sowohl auf dem Mittenabschnitt als auch auf den Umfangsabschnitten der Schilde angeordnet. Durch diese Bohrungen wird die Temperaturverteilung in den wachsenden Rohren 10 beträchtlich verbessert. Die sich daran

ablagernde Teilchenmenge, die durch diese Ströme gefördert wird, wird verringert. Damit die erwähnte Neuverteilung des Gasstromes wirksam wird, ist der Querschnitt jeder Bohrung in den Schilden flächenmäßig mindestens nicht kleiner als die Spielraumfläche zwischen den Schilden und den Wänden der wachsenden Rohre 10. Um eine hinreichende Wärmeisolierung der Schildsysteme aufrechtzuerhalten, sind die Bohrungen 11 nicht fluchtend in den benachbarten Schilden angeordnet. Infolge der hohen optischen Eigenschaften stellt das gezüchtete Saphirrohr einen guten Lichtleiter dar, der eine gute intensive Wärmeabführung von der Krisfallisationsfront 1.3 nach oben durch Strahlung begünstigt Zur Verminderung der Größe der senkrechten Wärmestrahlung unJ dementsprechend zur Verminderung des Temperaturgradienten im wachsenden Rohr in Längsrichtung sind an den Impfkristallhaltern 14 mindestens drei starr damit verbundene Schilde 15 angeordnet

Zur zusätzlichen Verminderung des Temperaturgradienten im Rohr in Längsrichtung sind unweit der Kristallisationsfront 13 an der Stirnfläche der Formgebungsteile 6 Stäbe 16 angeordnet, die um -'ine Größe, die zumindest dem Innendurchmesser der Kante gleich ist, über die ringförmigen Kanten der Formgebungsteile 6 vorstehen. Die Stäbe 16 bestehen aus einem wärmeleitenden Werkstoff mit einem Schmelzpunkt von über 2100⁰C. Um Verschiebungen des Saphirimpfkristalls relativ zu der Ziehstange während der Züchtung auszuschalten, sind der Impfkristallhalter 14 und die Befestigungsteile des Impfkristalls, insbesondere der zusammenziehende Draht 17, aus Niob ausgeführt, das einen Saphir nahen Wärmeausdehnungskoeffizier. ten aufweist

Die Vorrichtung arbeitet folgendermaßen:

Der Hohlraum des Tiegels 4 wird durch die Bohrungen in dem ihn abschließenden Molybdändeckel 18 mit Aluminiumoxid gefüllt Danach werden die waagerechten Schilde 9 aufgestellt

Nach der Hermetisierung der Kammer und der Evakuierung derselben bis 1,3-10 ³Pa wird durch einen Spannungsanstieg an der Induktionsspule 2 der Tiegel 4 auf eine Temperatur von etwa 1700⁰C erwärmt und 40 Minuten auf dieser Temperatur gehalten. Danach wird die Kammer mit einem Inertgas, z. B. Argon, bis zu einem Überdruck von 0,1 bis 0,3 bar gefüllt.

Durch jinen weiteren Spannungsanstieg am Induktor wird ein Abschmelzen der Tonerde im Tiegel 4 unter Bildung der Schmelze 5 erzielt, die durch das im Formgebungsteil 6 befindliche Kapillarrohr 7 zu ihren oberen ringförmigen Kanten 8 aufsteigt. Durch Absenken der Stabimpfkristalle bis zur Berührung mit den Kanten 8 werden die Enden der Impfkristalle abgeschmolzen. Dabei bildet sich eine dünne 0,2 bis 0,3 mm starke Schmelzebenetzungsschicht an den Kanten der Formgebungsteile 6 unter dem Impfkristall. Durch die programmgesteuerte Änderung der Temperatur und durch die Hubgeschwindigkeit des Impfkristalls wird der Kristall 10 auf eine beliebige bekannte Weise von dem Stabimpfkristall bis zur Umwandlung der Kristallisationsfront und dementsprechend der Schmelzebenetzungsschicht an den Kanten der Formgebungsteile jn einem geschlossenen Ring gezüchtet Nach diesem Zeitpunkt wird der wachsende Kristall rohrförmig. Die Verwendung von rohrförmigen Impfkristallen ist ebenfalls möglich.

Die erfindungsgemäße Temperaturverteilung über

ίο der Länge des wachsenden Rohres zeigt Fig.2. Der schraffierte Abschnitt zeigt den zugelassenen Temperaturänderungsbereich, der Abschnitt zwischen den zwei unteren Linien die Schmelzensäule, während die obere Linie der Kristallisationsfront entspricht

Die Aufrechterhaltung dieses Temperaturänderungsbereichs in Übereinstimmung mit dem Diagramm von Fig.2 wird mittels Spannungsänderung am Induktor gewährleistet.

Es wurden Saphirrohre unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens (Beispiel 2) und ohne Berücksichtigung der Temperaturführung (Beispiell) gezüchtet.

Beispiel 1

Es wird ein Saphirrohr mit einem Durchmesser von 9 mm mit einer Wanddicke von 0,75 mm bei einem Temperaturgradienten in Längsrichtung in der Wand des wachsenden Rohres von 38°C/cm in einem Ofen ohne Bohrungen zu.n Durchgang des konvektiven

jo Gasstromes in den Schilden über dem Tiegel gezüchtet. Kein anschließendes Tempern. Man erhält ein Saphirrohr mit einer integralen Lichtdurchlässigkeit von 85,5%. Bei lichttechnischen und mechanischen Versuchen des Rohres in einer 400-W-Hochdrucknatriumlampe werden folgende Ergebnisse erzielt: Lichtausbeute der Lampe 105 Im/W; nach 911 Betriebsstunden fällt die Lampe wegen eines Rohrrisses aus.

Beispiel 2

Es wird ein Saphirrohr bei einem Temperaturgradienten in Längsrichtung in der Wand des wachsenden Rohres von 28°C/cm gezüchtet. Die Züchtung erfolgt in einem Ofen mit Bohrungen in den Schilden zum Durchgang von konvektiven Gasströmen Nach der Züchtung wird das hergestellte Saph'rrohr mit einem Temperaturanstieg von 40°C/min auf etwa 1970°C gebracht und dadurch getempert, wobei diese Temperatur 3 Stunden lang gehalten wild. Die Temperaturerniedrigung auf die Raumtemperatur erfolgte mit einer Geschwindigkeit von 40°C/min.

Man erhält ein Saphirrohr mit einer integralen Lichtdurchlässigkeit von 91%. Bei lichttechnischen und mechanischen Versuchen des Rohres in einer Hochdrueknatriumlampe werden folgende Ergebnisse erzielt: Lichtausbeute der Lampe 120 Im/W; nach Abschluß der Versuche werden nach 3500 Betriebsstunden keine mechanischen Beschädigungen festgestellt.

Ilk'r/ii I Blatt Zcichnuneen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Ziehen von kristallinen Saphirrohren mit einem Impfkristall von der Oberfläche eines schmelzebenetzten Formgfcbungsteils in einer Inertgasatmosphäre, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Ziehabschnitt zwischen der Kristallisationsfront und dem Ziehabschnitt des Rohres, der eine Temperatur von 1850 bis 1900" C aufweist, ein Temperaturgradient in Längsrichtung von nicht über 30°C/cm in der Wand des gezogenen Rohres aufrecht erhalten, das Rohr bei einem Temperaturanstieg von 30 bis 40°C/min auf eine Temperatur von 1950 bis 2000° C gebracht und auf dieser Temperatur gehalten (Tempern) und schließlich mit einer Temperatursenkung von 30 bis 40°C/min abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturgradient auf dem Ziehabschdtt 10 bis 20°C/cm beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Tempern 3 bis 4 Stunden lang erfolgt.