DE3806634A1

DE3806634A1 - Method for growing a single crystal

Info

Publication number: DE3806634A1
Application number: DE19883806634
Authority: DE
Inventors: Horst Schmittberger; Ernst-Guenter Dr Lierke
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1988-03-02
Filing date: 1988-03-02
Publication date: 1989-09-14

Abstract

A method is described for growing a single crystal by evaporation of a solvent from a corresponding droplet which is held without contact in a stationary sound field (sonic field). In order to set a specific concentration of the solution in the droplet, a stock of solution having a predefined concentration is placed in the process chamber at a distance from the droplet, so that, via diffusion processes between the droplet and the stock of the solution, the desired concentration of the solution in the droplet is set.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Züchten eines Einkristalls durch Verdunsten eines Lösungsmittels aus einem aus einer Lösung gebildeten Tropfen, die eine Substanz aus der der Einkristall gezüchtet werden soll und das Lösungsmittel enthält, wobei der Tropfen in einem stehenden Schallfeld oder Ultraschallfeld berührungslos in einer Prozeßkammer gehalten wird.The invention relates to a method for growing a Single crystal by evaporation of a solvent from one drops formed from a solution that are made up of a substance that the single crystal should be grown and that Contains solvent, with the drop in a standing Contactless sound field or ultrasonic field in one Process chamber is held.

Ein derartiges Verfahren beschreibt die veröffent lichte deutsche Patentanmeldung P 36 27 810.6-43 mit älterem Anmeldetag. Das dort geschilderte Verfahren hat sich bewährt. Dort wird auch der Gedanke geäußert, bei Flüssigkeitstropfen, in denen die auszukristallisierende Substanz in geringer Konzentration vorliegt, das aus dem Tropfen verdunstende Lösungsmittel durch Nachliefern von weiterer Lösung zu ersetzen, so daß dadurch in dem Tropfen die auszukristallisierende Substanz angereichert wird. Dieser Ersatz der weiteren Lösung kann beispielsweise dadurch ge schehen, daß in der Prozeßkammer ein Vorrat des Lösungsmit tels angeordnet wird, aus dem durch entsprechende Druck- und/oder Temperaturvariation ein Abdampfen des Lösungsmittels stattfindet. In dieser älteren Patentanmeldung hat man sich aber nicht mit dem Problem befaßt, daß eine bestimmte Kon zentration der Lösung in dem Tropfen asymptotisch einge stellt werden muß, während dieser im Schallfeld berührungs los gehalten wird.Such a method describes the published light German patent application P 36 27 810.6-43 with older Filing date. The procedure described there has changed proven. The idea is also expressed there Drops of liquid in which the crystallized Substance is present in low concentration, which from the Drop evaporating solvents by supplying another solution to replace, so that in the drop the substance to be crystallized is enriched. This Replacement of the other solution can be ge see that there is a supply of the solution in the process chamber is arranged from which by appropriate pressure and / or temperature variation an evaporation of the solvent takes place. In this older patent application you have but not concerned with the problem that a certain Kon concentration of the solution in the drop asymptotically must be put while touching in the sound field is kept going.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren dahingehend weiterzubilden, daß in dem im Schallfeld oder Ultraschallfeld berührungslos gehaltenen Tropfen eine vorbestimmte Konzentration der Lösung, d. h. eine vorbestimmte Konzentration der betreffenden Substanz in dem Lösungsmittel, eingestellt werden kann.The invention is therefore based on the object at the outset mentioned methods to further develop in that in the Sound field or ultrasonic field kept contactless Drop a predetermined concentration of the solution, i.e. H. a predetermined concentration of the substance in question the solvent.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekenn zeichnet, daß in der Prozeßkammer ein Vorrat der Lösung in einer vorbestimmten Konzentration angeordnet wird, der über die den Tropfen umgebende Atmosphäre in Diffusionsaustausch mit dem Tropfen steht.To achieve this object, the invention is characterized records that in the process chamber a stock of the solution in a predetermined concentration is arranged, which over the atmosphere surrounding the drop in diffusion exchange with the drop.

Versuche haben ergeben, daß es bei vielen Anwendungsfällen vorteilhaft sein kann, wenn der Verdampfungs- bzw. Ver dunstungsvorgang des Lösungsmittels aus dem Tropfen bei einer bestimmten Konzentration gestoppt wird. Dies kann man er findungsgemäß durch die geschilderten Maßnahmen erreichen. Daraus folgt, daß die Konzentrationen im Tropfen und im Vorrat sich nach einer gewissen Zeit einander weitestgehend angleichen. Man muß daher lediglich die Konzentration im Vor rat so einstellen, daß sie mit der Konzentration im Tropfen nach einer entsprechenden Verdampfung von Lösungsmittel identisch ist, um das gewünschte Ergebnis zu erhalten, beispielsweise um den Verdampfungsvorgang zu beenden.Tests have shown that there are many applications can be advantageous if the evaporation or Ver evaporation process of the solvent from the drop in a certain concentration is stopped. He can do this achieve according to the measures described. It follows that the concentrations in the drop and in After a certain amount of time, they are largely in stock align. One only has to concentrate in advance Adjust the rat so that the concentration is in the drop after appropriate evaporation of solvent is identical to get the desired result for example to end the evaporation process.

Im allgemeinen wird man die Konzentration im Vorrat hierzu etwas höher einstellen als die gewünschte Konzentration im Tropfen. Will man beispielsweise, nachdem 30% des Tropfenvolumens abgedampft sind, eine Endkonzentration im Tropfen von 6% erreichen, so sollte man die Konzentration im Vorrat auf 6% einstellen und die Anfangskonzentration des Tropfens auf 4%.In general one becomes the concentration in the stock for this set slightly higher than the desired concentration in the Drops. If you want, for example, after 30% of the Drop volume are evaporated, a final concentration in If you reach drops of 6%, you should concentrate in the stock set to 6% and the initial concentration of the Drop to 4%.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei spiels näher erläutert, aus dem sich weitere wichtige Merk male ergeben. Es zeigt:The invention is illustrated below with the aid of an embodiment game explained in more detail, from which another important note times result. It shows:

Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor richtung zur Einkristall-Züchtung aus einem in der stehenden Ultraschallwelle schwebenden Flüssigkeits tropfen. Fig. 1 shows an embodiment of the device according to the invention for single crystal growth from a liquid floating in the standing ultrasonic wave.

Die Vorrichtung besteht aus einer vorzugsweisen thermostati sierten Kammer 1. Der Flüssigkeitstropfen 2 wird mittels eines λ/2-Resonators 3 mit piezoelektrischer Anregung, Amplitudentransformation, Knotenhalterung und eines im Abstand dazu angeordneten Reflektors 4 positioniert. Der Resonator 3 steht mit dem Ultraschallgenerator 5 in Verbindung, der zur Reflektorabstimmung eine Phasensteuerung aufweist. Der Reflektor 4 ist vorzugsweise in axialer Richtung verschiebbar. Diese Verstellung wird mittels eines Motors 6 bewirkt. Ferner wird im Reflekor 4 ein Schallsensor 7 integriert, um die Phasenregelung der Stehwellenresonanz vorzunehmen.The device consists of a preferred thermostatic chamber 1 . The liquid drop 2 is positioned by means of a λ / 2 resonator 3 with piezoelectric excitation, amplitude transformation, node holder and a reflector 4 arranged at a distance from it. The resonator 3 is connected to the ultrasound generator 5 , which has a phase control for the reflector tuning. The reflector 4 is preferably displaceable in the axial direction. This adjustment is effected by means of a motor 6 . Furthermore, a sound sensor 7 is integrated in the reflector 4 in order to carry out the phase control of the standing wave resonance.

Die Kammer 1 wird mit Sichtfenstern zur Probenbeobachtung, z. B. mittels einer CCD-Kamera 8, sowie zur Probenbeleuchtung 9 versehen.The chamber 1 is equipped with viewing windows for sample observation, e.g. B. by means of a CCD camera 8 , and provided for sample illumination 9 .

Der Flüssigkeitstropfen 2 wird in diesem Beispiel durch eine Kanüle 10 in die stehende Welle geführt.In this example, the liquid drop 2 is guided through a cannula 10 into the standing wave.

Der gezüchtete Einkristall kann mittels einer Kanüle 11 mit entsprechendem Durchmesser abgesaugt werden.The grown single crystal can be aspirated by means of a cannula 11 with a corresponding diameter.

Mit einer solchen Vorrichtung lassen sich z. B. wäßrige Lösungen von organischen oder anorganischen Substanzen als Tropfen von 5 bis 20 mm Durchmesser positionieren. Der Tropfendurchmesser d hängt dabei von der gewählten Wellen länge λ des Positionierers ab (d <2/3λ). Als Trägermedium können beliebige Gase vorzugsweise aber Edelgase verwendet werden, z. B. eine Mischung aus Helium und Argon. Der Druck beträgt im allgemeinen 1 bar, kann jedoch gegebenenfalls reduziert oder erhöht werden.With such a device z. B. Position aqueous solutions of organic or inorganic substances as drops from 5 to 20 mm in diameter. The drop diameter d depends on the selected wavelength λ of the positioner (d <2/3 λ ). Any gases, but preferably noble gases, can be used as the carrier medium, e.g. B. a mixture of helium and argon. The pressure is generally 1 bar, but can be reduced or increased if necessary.

Erfindungsgemäß ist in der Kammer 1 außerdem ein Vorrat 14, der den Tropfen 2 ausbildenden Lösung angeordnet, wobei der Vorrat 14 die betreffende Substanz in einer vorbestimmten Konzentration enthält, die geringfügig über der Konzentration der Substanz im Lösungsmittel im Tropfen 2 liegen sollte. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich der Vorrat 14 in einer ringförmigen Schale und symmetrisch zum Tropfen 2, welche Anordnung bevorzugt wird.According to the invention, there is also a supply 14 in the chamber 1 , which stores the solution forming the drop 2 , the supply 14 containing the substance in question in a predetermined concentration which should be slightly above the concentration of the substance in the solvent in the drop 2 . In the embodiment shown, the supply 14 is located in an annular bowl and symmetrical to the drop 2 , which arrangement is preferred.

Der Vorrat 14 kann aber auch auf andere geeignete Weise in die Kammer 1 eingebracht werden, beispielsweise über einen mit der Lösung getränkten Schwamm, der über eine Art Schleuse in das Innere der Kammer 1 gebracht werden kann.However, the supply 14 can also be introduced into the chamber 1 in another suitable manner, for example via a sponge soaked in the solution, which can be brought into the interior of the chamber 1 via a kind of lock.

Will man die Konzentration oder Übersättigung im Tropfen 2 auf einen bestimmten Wert einstellen, so wird diese durch die ständig stattfindenden Diffusionsvorgänge zwischen dem Tropfen 2 und dem Vorrat 14 bewirkt, die für einen Austausch des Lösungsmittels zwischen dem Tropfen 2 und dem Vorrat 14 über die in der Kammer herrschende Atmosphäre sorgen, und zwar so lange, bis die Konzentration im Tropfen 2 und im Vorrat 14 einander praktisch angeglichen sind. Durch diese Verfahrensführung kann man den Verdampfungsvorgang bei einer kritischen Konzentration im Tropfen 2 anhalten. In der Kammer 1 herrscht hierbei automatisch ein 100%-iger Sättigungsdampfdruck des eingesetzten Lösungsmittels. Wenn die Konzentration im Tropfen und die Konzentration im Puffer bad oder Vorrat 14 einander praktisch gleich sind, so hört die Verdampfung des Lösungsmittels aus dem Tropfen auf und die Tropfenkonzentration bleibt auf dem eingestellten kritischen Endwert.If you want to set the concentration or supersaturation in the drop 2 to a certain value, this is caused by the constantly occurring diffusion processes between the drop 2 and the supply 14 , which for an exchange of the solvent between the drop 2 and the supply 14 via the in the atmosphere prevailing in the chamber until the concentration in the droplet 2 and in the reservoir 14 are practically equal. This procedure allows the evaporation process to be stopped at a critical concentration in drop 2 . In chamber 1 there is automatically a 100% saturation vapor pressure of the solvent used. If the concentration in the drop and the concentration in the buffer bath or reservoir 14 are practically the same, the evaporation of the solvent from the drop stops and the drop concentration remains at the set critical end value.

Claims

1. A method for growing crystals or for carrying out chemical reactions by evaporation of a solvent from a drop formed from a solution which contains a substance from which the single crystal is to be grown and the solvent, the drop being in one standing sound field or ultra sound field is held without contact in a process chamber, characterized in that a supply ( 14 ) of the solution is arranged in a predetermined concentration in order to set a certain concentration of the solution in the drop ( 2 ) in the process chamber ( 1 ), whereby the stock drops (2) surrounding atmosphere is above the diffusion in exchange with the drops (2).

2. The method according to claim 1, characterized in that the concentration of the solution of the stock ( 14 ) is set somewhat higher than the desired concentration of the solution of the drop ( 2 ), so that after evaporation of a solvent portion of the drop concentration equilibrium occurs and the drop size remains stable.