DE60117720T2

DE60117720T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines flachen Körpers aus Oxid-Einkristall

Info

Publication number: DE60117720T2
Application number: DE60117720T
Authority: DE
Inventors: c/o NGK Insulators ltd Toshihisa Nagoya City Yokoyama; c/o NGK Insulators Masahiro Nagoya City Murasato; c/o NGK Insulators Katsuhiro Nagoya City Imai; c/o NGK Insulators ltd. Minoru Nagoya City Imaeda
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2000-07-05
Filing date: 2001-07-03
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2021-07-04
Also published as: US6565654B2; DE60117720D1; EP1170403A2; EP1170403A3; US20020029736A1; EP1170403B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines planaren Körpers aus einem Oxid-Einkristall.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Ein Einkristall aus Lithiumkaliumniobat und ein Einkristall aus einer festen Lösung von Lithiumkaliumniobat-Lithiumkaliumtantalat werden besonders gerne als Einkristalle für Blaulicht-Vorrichtungen zur Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG-Vorrichtungen) für Halbleiterlaser verwendet. Diese Vorrichtungen können selbst Ultraviolettlicht mit Wellenlängen bis zu 390 nm emittieren, weshalb die Kristalle für eine breite Palette an Anwendungen, etwa für optische Plattenspeicher, die Bereiche der Medizin und der Photochemie sowie für verschiedenste optische Messungen unter Verwendung von Licht mit solch kurzen Wellenlängen, verwendet werden können. Da die obgenannten Einkristalle einen großen elektrooptischen Effekt aufweisen, können sie auch für optische Speichervorrichtungen verwendet werden, die deren Lichtbrechungseffekt nutzen.
Was beispielsweise die Anwendung für eine Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen betrifft, kann jedoch schon eine kleine Schwankung in der Zusammensetzung des Einkristalls die Wellenlänge der von der Vorrichtung erzeugten zweiten Harmonischen beeinflussen. Daher ist der spezifische Bereich der Zusammensetzung der Einkristalle äußerst strikt, und die Schwankungen in der Zusammensetzung sollten auf einen sehr schmalen Bereich eingeschränkt werden. Da aber die Zusammensetzung aus drei oder gar vier Komponenten bestehen kann, ist das Schnellwachstum eines Einkristalls unter gleichzeitiger Konstanthaltung der Anteile der Komponenten schwer umzusetzen.
Zudem muss bei optischen Anwendungen, insbesondere bei der Erzeugung der zweiten Harmonischen, ein Laserstrahl mit einer kurzen Wellenlänge von beispielsweise 400 nm sich mit höchst möglicher Leistungsdichte im Einkristall fortpflanzen können. Außerdem muss gleichzeitig die Verschlechterung des Lichts kleinst möglich gehalten werden. Da die Steuerung der Lichtverschlechterung von großer Bedeutung ist, muss der Einkristall für diese Zwecke eine gute Kristallinität aufweisen.
NGK Insulators, Ltd., hat ein μ-Ziehverfahren für das Wachstum von Einkristallen bei konstanten Zusammensetzungsanteilen vorgeschlagen, beispielsweise in der JP-A-8-319191. In diesem Verfahren wird ein Rohmaterial, das beispielsweise Lithiumkaliumniobat umfasst, in einen Platintiegel eingebracht und geschmolzen, danach wird die Schmelze langsam und kontinuierlich durch eine am Boden des Schmelztiegels angebrachte Düse nach unten gezogen. Mit dem μ-Ziehverfahren können Einkristalle schneller gezüchtet werden als mit dem CZ-Verfahren oder dem TSSG-Verfahren. Zudem können die Zusammensetzungen der Schmelze und des gewachsenen Einkristalls reguliert werden, indem der Einkristall unter Zufuhr der Rohmaterialien für das Wachstum des Einkristalls in den Schmelztiegel kontinuierlich gezüchtet werden kann.
Allerdings unterliegt die Verwendung des μ-Ziehverfahrens für das kontinuierliche, schnelle Wachstums einer guten Einkristallplatte (eines planaren Körpers aus einem Einkristall) noch immer einer Einschränkung.
Die gegenständlichen Erfinder haben versucht, einen Schulterabschnitt oder Schulterabschnitte auszubilden, indem die Temperatur der Schmelze, die Umgebungstemperatur um eine Faser usw. geregelt wird, wenn eine Oxid-Einkristallfaser (Impfkristall) zunächst mit der Schmelze in Berührung gebracht wird und danach die Schmelze nach unten gezogen wird. Die Breite des Schulterabschnitts vergrößert sich schrittweise, und sobald sie die gewünschte Größe errecht hat, wird die Temperatur, etwa des Düsenabschnitts, leicht angehoben, um eine weitere Vergrößerung der Breite des Schulterabschnitts zu verhindern. Danach wird ein planarer Körper mit einer gleichmäßigen Breite einem Endabschnitt des Schulterabschnitts folgend kontinuierlich nach unten gezogen. Diesem Verfahren zufolge weiten sich Risse in der Nähe einer Verbindungsoberfläche zwischen dem Impfkristall und dem planaren Körper nur schwer aus.
Allerdings stellten sich bei einer weiteren Prüfung dieses Verfahrens die folgenden Probleme. Obwohl die Breite des Schulterabschnitts im Zuge des Wachstums des planaren Körpers schrittweise zunahm, stoppte die Vergrößerung der Breite des Schulterabschnitts und konnte die gewünschte Breite (z. B. 80 nm) nicht erreichen, sobald die Breite ein gewisses Maß überschritten hatte.
Außerdem traten in einigen Fällen polykristalline Bereiche, Risse und Verschlechterungen des Kristalls in einem Mittelabschnitt des Schulterbereichs auf, auch wenn die Breite die gewünschte Breite erreichen konnte.
Die EP-A-763610 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Oxid-Einkristallserien. In diesem Dokument wird die Zusammensetzung des Einkristalls konstant gehalten, indem die Ziehrate des Einkristalls gesteuert wird.
Die US-A Nr. 4.402.786 offenbart das Wachstum von Einkristallbändern unter Verwendung einer Kapillardüse. Ein schwenkbares Hitzeschutzschild ist zur Regelung der Temperatur des Meniskus bereitgestellt.
ZUSAMMENFASSUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung der Möglichkeit, einen Schulterabschnitt mit einer größeren Breite zu züchten und die Bildung polykristalliner Bereiche, von Rissen und Verschlechterungen des Kristalls in einem Mittelabschnitt des planaren Körpers zu verhindern, wenn der planate Körper des Oxid-Einkristalls mithilfe des μ-Ziehverfahrens gezüchtet wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines planaren Körpers aus einem Oxid-Einkristall, wobei das Verfahren die Bereitstellung einer Schmelze aus dem Rohmaterial des Oxid-Einkristalls in einem Tiegel, das In-Berührung-Bringen eines Impfkristalls mit der Schmelze des Rohmaterials in der Nähe einer Öffnung einer Düse des Tiegels, das Ziehen der Schmelze aus der Öffnung durch das Hinunterziehen des Impfkristalls und das Wachsenlassen des planaren Körpers umfasst, worin die Temperaturverteilung der Düse in einer senkrecht zur Ziehrichtung stehenden Richtung durch die Zufuhr von Wärme zur Düse und/oder durch die Abfuhr von Wärme von der Düse gesteuert wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Herstellung eines planaren Körpers aus einem Oxid-Einkristall, umfassend einen Tiegel zum Schmelzen eines Rohmaterials des Oxid-Einkristalls und eine Temperaturreglereinheit, wobei der Tiegel eine mit einer Öffnung versehene Düse aufweist und die Temperaturreglereinheit die Temperaturverteilung der Düse transversal zur Ziehrichtung regelt, indem sie der Düse Wärme zuführt und/oder Wärme von der Düse abführt, worin ein Impfkristall mit einer Schmelze in Berührung gebracht wird und der Oxid-Einkristall durch Hinunterziehen des Impfkristalls und Ziehen der Schmelze aus der Öffnung des Tiegels wachsen gelassen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
die 1(a), 1(b) und 1(c) schematische Darstellungen sind, welche die einzelnen Schritte des Verfahrens zum Ziehen des planaren Körpers 14 mit dem μ-Ziehverfahren darstellen;
2 eine schematische Darstellung einer Herstellungsvorrichtung ist, die für die vorliegende Erfindung verwendet werden kann;
3 eine vergrößerte Ansicht der Umgebung der Grenzfläche zwischen dem Schulterabschnitt 14A und der Düse 13 ist;
4 eine Teilschnittansicht ist, die einen Anordnungszustand einer Vielzahl an Heizvorrichtungen 42 gegenüber der Düse 13 veranschaulicht;
5 eine Teilschnittansicht ist, die einen Anordnungszustand einer Vielzahl an Wärme abführenden Blöcken 41 gegenüber der Düse 13 veranschaulicht;
6 eine Teilschnittansicht ist, die einen Anordnungszustand einer Vielzahl an Vorrichtungen 43 zur Zufuhr eines Kühlmittels gegenüber der Düse 13 veranschaulicht;
7 eine Teilschnittansicht ist, die einen Anordnungszustand von zwei Vorrichtungen 44 zur Zufuhr eines Kühlmittels veranschaulicht, die horizontal beweglich sind und der Düse 13 gegenüberliegen; und
8 eine Zustand veranschaulicht, in dem die Düse 13 in eine Vielzahl an Blöcken unterteilt ist und jedem der Blöcke elektrische Leistung zugeführt wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder haben zunächst die Ursache für den Abbruch der Vergrößerung der Breite des Schulterabschnitts beim Züchten eines planaren Körpers aus einem Oxid-Einkristall mithilfe des μ-Ziehverfahrens untersucht.
Die 1(a) bis (c) zeigen schematisch die einzelnen Schritte zum Ziehen eines planaren Körpers. Pfeil B zeigt die Ziehrichtung des Einkristalls.
Wie 1(a) zu entnehmen ist, wird ein fasriger Impfkristall 30 nach oben bewegt, und eine obere Oberfläche des Impfkristalls 30 wird mit einer aus einer Öffnung 13c einer Düse herausragenden Schmelze in Berührung gebracht. Zu diesem Zeitpunkt bildet sich eine Festphase/Flüssigphase-Grenzfläche (Meniskus) zwischen dem oberen Ende des Impfkristalls 30 und der aus der Düse 13 nach unten gezogenen Schmelze 18. Dann wird der Impfkristall 30 wie in 1(b) abgebildet nach unten gezogen. Folglich wird der Schulterabschnitt 14A kontinuierlich an einer Oberseite des Impfkristalls 30 ausgebildet und nach unten gezogen. Die Breite des Schulterabschnitts 14A nimmt schrittweise in der vom Impfkristall zum Tiegel führenden Richtung zu. Der Winkel des Schulterabschnitts hängt vom Typ und von der Zusammensetzung des Kristalls ab. Wird die Temperatur der Düse leicht angehoben, so bricht die Verbreiterung des Schulterabschnitts 14A ab, und nun wird der planare Körper 14B mit konstanter Breite kontinuierlich herausgezogen.
Die Erfinder haben bemerkt, dass ein Winkel der Schmelze α in der Umgebung einer Kontaktfläche zwischen dem Schulterabschnitt 14A und der Schmelze 18 kleiner wird, sodass die Breite des Schulterabschnitts nicht zunimmt, wenn der Impfkristall nach unten gezogen wird. Es wurde angenommen, dass die Temperatur an den Bereichen beider Enden des Schulterabschnitts so stark zunimmt, dass der Winkel der Schmelze α kleiner wird.
Die Erfinder haben versucht, den Winkel der Schmelze α wieder zu vergrößern und den Schulterabschnitt zu verbreitern, indem die der Düse 13 eingespeiste elektrische Leistung leicht gesenkt wird, sobald der die Verbreiterung des Schulterabschnitts 14A stoppt. In diesem Fall aber können sich in der Nähe des Mittelabschnitts des erhaltenen planaren Körpers 14 polykristalline Bereiche, Risse und Verschlechterungen bilden. Der Grund hierfür liegt wohl darin, dass die Temperatur des Mittelabschnitts des planaren Körpers in Bezug auf die Optimaltemperatur zu stark gesenkt wird.
Allein auf diese Weise, also durch Steuern der Zufuhr der elektrischen Leistung zur Düse oder der Umgebungstemperatur in der Nähe des Wachstumspunkts des Einkristalls, ist es also nicht möglich, den Abbruch der Verbreiterung des Schulterabschnitts und gleichzeitig auch die Bildung polykristalliner Bereiche, von Rissen und Verschlechterungen in der Nähe des Mittelabschnitts des planaren Körpers zu verhindern. Die Erfinder haben den Grund hierfür untersucht und herausgefunden, dass zwar keine Probleme entstehen, solange die Breite des Schulterabschnitts schmal ist, doch der Mittelabschnitt des Schulterabschnitts 14A als eine Art Strahler zur Abfuhr von Wärme aus der Umgebung der Grenzfläche zwischen dem Schulterabschnitt und der Schmelze wirkt und dadurch Temperatur des Mittelabschnitts der Grenzfläche zwischen dem Schulterabschnitt und der Schmelze niedriger wird als die Temperatur an beiden Enden des Schulterabschnitts, sobald der Schulterabschnitt breiter wird. Folglich fällt die Temperatur des Mittelabschnitts unter die Optimaltemperatur ab, und es entstehen polykristalline Bereiche, Risse und Verschlechterungen. Bleibt die Temperatur des Mittelabschnitts des Schulterabschnitts hingegen im optimalen Temperaturbereich, so steigt die Temperatur beider Enden des Schulterabschnitts übermäßig an, sodass die Verbreiterung des Schulterabschnitts so wie oben erwähnt stoppt.
Auf Grundlage dieser Entdeckungen haben die Erfinder überlegt, die Temperaturverteilung der Düse in eine senkrecht zu einer Ziehrichtung stehenden Richtung (A) zu regeln, indem der Düse Wärme zugeführt und/oder Wärme von der Düse abgeführt wird. Dadurch kann die Temperaturverteilung an der Düse und die daraus folgende Temperaturverteilung an der Grenzfläche zwischen der Schmelze und dem Einkristall verringert werden, was die obgenannten Probleme löst.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Nun wird die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen detaillierter erklärt. 2 ist eine schematische Darstellung einer Herstellungsvorrichtung, die für die vorliegende Erfindung verwendet werden kann. 3 ist eine vergrößerte Ansicht der Umgebung der Grenzfläche zwischen dem Schulterabschnitt 14A und der Düse 13.
Ein Tiegel 7 ist in einem Ofenkörper angeordnet. Eine obere Ofeneinheit 1 ist so angeordnet, dass sie den Tiegel 7 und eine obere Oberfläche 5 dessen umgibt, und weist eine darin eingebettete Heizvorrichtung 2 auf. Eine Heizvorrichtung 4 ist in einer unteren Ofeneinheit 3 eingebettet. eine Düse 13 erstreckt sich von einem Bodenteil des Tiegels 7 aus nach unten. Die Düse 13 umfasst einen Verbindungsröhrenabschnitt 13a und einen planar verlaufenden Abschnitt 13b am unteren Ende des Verbindungsröhrenabschnitts 13a. In 2 ist nur eine Querschnittsansicht des planar verlaufenden Abschnitts 13b zu sehen. Der Verbindungsröhrenabschnitt 13a und der planar verlaufende Abschnitt 13b können verschiedene Formen aufweisen.
Am unteren Ende des planar verlaufenden Abschnitts 13b ist eine Öffnung 13c ausgebildet, und der Bereich in der Umgebung der Öffnung 13c ist ein Einkristall-Wachstumsabschnitt 35. Eine Einlassröhre 11 erstreckt sich im Tiegel 7 nach oben, und eine Einlassöffnung 22 ist am oberen Ende der Einlassröhre 11 bereitgestellt, Die Einlassöffnung 22 steht leicht von einem Bodenabschnitt einer Schmelze 8 vor. Der Tiegel 7 und die Düse 13 sind aus einem korrosionsbeständigen, leitfähigen Material hergestellt. Stromquellen, nicht dargestellt, sind jeweils mit dem Tiegel 7 und der Düse 13 verbunden, und die diesen zuzuführende elektrische Leistung kann geregelt werden.
Eine Kühler 19 ist benachbart zu einem planaren Körper 14 unmittelbar unter der Öffnung 13c des Düsenabschnitts 13 bereitgestellt, eine Nachheizvorrichtung 15 ist unter dem Kühler 19 bereitgestellt. Die Nachheizvorrichtung 15 ist in einem Glühbereich 20 bereitgestellt.
Die Temperaturverteilung in den einzelnen Räumen 5 und 6 ist durch die Erzeugung von Wärme in der oberen Ofeneinheit 1, der unteren Ofeneinheit 3 und der Nachheizvorrichtung 15 sowie durch die Inbetriebnahme des Kühlers 19 passend eingestellt. Nun wird ein Rohmaterial für die Schmelze in den Tiegel 7 eingebracht und dem Tiegel 7 und der Düse 13 zur Erwärmung elektrische Leistung zugeführt. In diesem Zustand ragt die Schmelze leicht aus der Öffnung 13c am Einkristall-Wachstumsabschnitt 35 hervor.
Ein Werkzeugmikroskop 12 und ein Strahlungsthermometer 16 sind außerhalb der Ofenkörper installiert. Ein Zwischenraum ist zwischen der oberen Ofeneinheit 1 und der unteren Ofeneinheit 3 ausgebildet, damit das Innere der Ofenkörper durch den Zwischenraum beobachtet werden kann. In der Nähe des Einkristall-Wachstumsabschnitts 35 kann die Düse 13 mithilfe des Werkzeugmikroskops 12 beobachtet werden. Dadurch kann die Konfiguration der Schmelze 8, des planaren Körpers 14 und insbesondere des Neigungswinkels θ des Schulterabschnitts 14A zur Ziehachse B betrachtet werden. Außerdem wird die Temperaturverteilung in horizontaler Richtung A (senkrecht zur Ziehrichtung) an einem unteren Abschnitt 21 der Düse 13 mithilfe des Strahlungsthermometers 16 beobachtet.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Menge der Wärme, die den Umgebungen 13e der beiden Enden des planaren Körpers des Düse 13 zugeführt wird, in der senkrecht zur Ziehrichtung stehenden Richtung kleiner festgelegt als die Menge der Wärme, die einem Mittelabschnitt 13d der Düse 13 zugeführt wird. Dadurch kann der Temperaturunterschied zwischen dem Mittelabschnitt 13d und den Umgebungen 13e der beiden Enden verringert werden.
In dieser Ausführungsform ist, wie in 4 veranschaulicht, eine Vielzahl an Heizvorrichtungen 42 in Positionen angeordnet, die der Düse 13 gegenüberliegen. Die Menge der Wärme, die die einzelnen Heizvorrichtungen 42 der Düse 13 zuführen, wird durch Variieren der den einzelnen Heizvorrichtungen 42 eingespeisten elektrischen Leistung gesteuert. Vorzugsweise ist die der Heizvorrichtung 42 zuzuführende elektrische Leistung in der Umgebung des Mittelabschnitts 13d der Düse 13 in einer senkrecht zur Ziehrichtung stehenden Richtung A gesteigert, um die Menge der zugeführten Wärme relativ anzuheben. Gleichzeitig ist die der Heizvorrichtung 42 zuzuführende elektrische Leistung in der Nähe 13e der beiden Enden des planaren Körpers der Düse 13 gemindert, um die Menge der zugeführten Wärme relativ zu senken.
Eine von der Umgebung 13e der beiden Enden des planaren Körpers der Düse abgeführte Menge an Wärme kann auch größer sein als jene, die vom Mittelabschnitt 13d der Düse in einer senkrecht zur Ziehrichtung stehenden Richtung abgeführt wird.
Spezifisch ist eine Vielzahl an Wärme abführenden Blöcken 41 in Positionen angeordnet, die der Düse 13 gegenüberliegen, und die Menge der durch jeden der Wärme abführenden Blöcke 41 von der Düse 13 abgeführten Wärme wird durch Einstellen des Abstands zwischen den einzelnen Wärme abführenden Blöcken 41 und der Düse 13 gesteuert. Vorzugsweise ist in der Umgebung des Mittelabschnitts 13d der Düse 13 in einer senkrecht zur Ziehrichtung stehenden Richtung A der Abstand "a" zwischen den Wärme abführenden Blöcken 41 und der Düse 13 größer, um die Menge der durch die Wärme abführenden Blöcke 41 abgeführte Wärme zu senken. In der Umgebung 13e der beiden Enden des planaren Körpers der Düse 13 ist der Abstand "a" zwischen den Wärme abführenden Blöcken 41 und der Düse 13 kleiner, um die Menge der durch die Wärme abführenden Blöcke 41 abgeführte Wärme zu erhöhen. Für einen Wärme abführenden Block wird ein Material wie beispielsweise Siliciumcarbid verwendet.
Eine Vorrichtung, die ein Kühlmittel zuführt, kann als Wärme abführende Vorrichtung verwendet werden. Vorzugsweise verfügt die Kühlvorrichtung über ein Blasloch, um das Kühlmittel zur Düse hin auszublasen. So kann die Kühlungseffizienz weiter gesteigert werden.
Das Kühlmittel kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Luft, Stickstoff, Helium oder dergleichen können als gasförmige Kühlmittel genannt werden. Die Temperatur des Gases liegt vorzugsweise unter zumindest um 500°C unter jener des Glühbereichs, die von einer Nachheizvorrichtung und einem unteren Ofen eingestellt wird. Auch eine Flüssigkeit kann als Kühlmittel verwendet werden. In diesem Fall kann die Verwendung von Dunst die Kühlungseffizienz steigern und die Gefahr einer Dampfexplosion beseitigen.
Wie in 6 veranschaulicht ist, ist eine Vielzahl an Vorrichtungen, welche das Kühlmedium 43 zuführen, in Positionen gegenüber der Düse 13 bereitgestellt. Die Menge der durch das Kühlmittel von der Düse abgeführten Wärme wird durch Anpassen der von jeder der Vorrichtungen 43 zugeführten Menge des Kühlmittels mit einer Kühlmittelzufuhrquelle 38 gesteuert. Wird die Zufuhrmenge oder die Zufuhrrate des Kühlmedium angehoben, so steigt auch die Menge der durch das Kühlmittel abgeführten Wärme.
Wie in 7 dargestellt ist, ist zumindest eine Wärme abführende Vorrichtung 44 in einer der Düse 13 gegenüberliegenden Position bereitgestellt. Eine Position in der Richtung A der Wärme abführenden Vorrichtung 44 wird geändert (d. h. wie durch Pfeil E dargestellt bewegt), während das Wachstum des planaren Körpers fortschreitet. Der obgenannte Wärme abführende Block oder die Kühlmittel-Zufuhrvorrichtung kann als Wärme abführende Vorrichtung verwendet werden. Besonders bevorzugt wird die Wärme abführende Vorrichtung in Positionen in der Umgebung der beiden Enden des Schulterabschnitts der Düse bewegt, während das Wachstum des Schulterabschnitts fortschreitet.
Der Mittelabschnitt der Düse in der senkrecht zur Ziehrichtung stehenden Richtung umfasst beispielsweise einen Bereich innerhalb 1/10 der Breite der Düse vom Mittelabschnitts-Punkt der Düse. Die Umgebung der beiden Enden des planaren Körpers der Düse umfasst beispielsweise jeweils einen Bereich von 10 mm von beiden Enden des planaren Körpers aus in einer senkrecht zur Ziehrichtung stehenden Richtung. Beide Enden des Schulterabschnitts weichen schrittweise vom Mittelpunkt der Düse ab, während das Wachstum des Schulterabschnitts fortschreitet.
Wärme kann dem Mittelabschnitt der Düse in einer senkrecht zur Ziehrichtung stehenden Richtung zugeführt und von der Umgebung der beiden Enden des planaren Körpers der Düse abgeführt werden. Um dies umzusetzen, sind die Heizvorrichtungen so angeordnet, dass sie dem Mittelabschnitt der Düse gegenüberliegen, und die Wärme abführenden Vorrichtungen sind so angeordnet, dass sie der jeweiligen Umgebung der beiden Enden des planaren Körpers der Düse gegenüberliegen.
In einer Ausführungsform, in der die Temperatur der Düse durch Anlegen von elektrischer Leistung an die Düse angehoben wird, kann die Menge der der Düse zuzuführenden elektrischen Leistung in der vertikal zur Ziehrichtung stehenden Richtung gesteuert werden. Wie schematisch in 8 dargestellt ist, sind, beispielsweise wenn die elektrische Leistung dem unteren Abschnitt der Düse 13 mithilfe einer Wechselstromquelle 10 und Drähten 9 direkt zuzuführen ist, elektrische Kabel 32A–32J bereitgestellt, um Regelwiderstände 31 jeweils zwischen benachbarten Kabeln 32A, 32B, 32C, 32D, 32E, 32F, 32G, 32H und 32J anzuordnen. Die Spannung und der Strom zwischen benachbarten elektrischen Kabeln können durch Regulieren der Abstände zwischen den Regelwiderständen gesteuert werden, somit kann die den einzelnen unteren Abschnitten der Düse zugeführte Elektrizität gesteuert werden. Fällt die Temperatur eines dieser Abschnitte unter jene der anderen Abschnitte ab, wird der Widerstand des Regelwiderstands dieses Abschnitts angehoben, um die Temperatur anzuheben. Das Bezugszeichen 45 kennzeichnet eine elektrizitätsleitende Einheit.
Der Einkristall unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, aber als Beispiele können Lithiumkaliumniobat (KLN), eine feste Lösung von Lithiumkaliumniobat-Lithiumkaliumtantalat (KLNT: [K₃Li_2-x(Ta_yNb_1-y)_5+xO_15+2x]), Lithiumniobat, Lithiumtantalat, eine feste Lösung von Lithiumniobat-Lithiumtantalat, Ba_1-xSr_xNb₂O₆, Mn-Zn-Ferrit, ein mit Nd, Er und/oder Yb substituierter Yttrium-Aluminium-Granat, mit Nd, Er und/oder Yb substituierter YAG oder YVO₄ aufgeführt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein planarer Körper mit einer Breite von insbesondere 50 mm oder mehr, noch besser von 60 mm oder mehr und sogar noch besser vom 80 mm oder mehr rasch gezüchtet werden. Die Breite, durch das Wachsenlassen erhalten werden kann, hat keine Obergrenze, und ein breiterer planarer Körper ist bevorzugter, sofern er in der Praxis gezüchtet werden kann.
Beispiel 1
Mit einer in 2 dargestellten Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallen wurde ein planarer Köroper aus einem Lithiumkaliumniobat-Einkristall gemäß der Erfindung hergestellt. Spezifisch wurde die Gesamttemperatur im Ofen durch die obere Ofeneinheit 1 und die untere Ofeneinheit 3 geregelt. Die Vorrichtung war so konfiguriert, dass der Temperaturgradient in der Umgebung des Einkristall-Wachstumsabschnitts 35 durch Steuern einer dem Düsenabschnitt zuzuführenden elektrischen Leistung, der von der Nachheizvorrichtung 15 erzeugten Wärme und der Strömungsrate eines Gases in der Wärme abführenden Röhre 19 gesteuert werden konnte. Zudem waren Wärme abführende Blöcke 41 wie in 5 dargestellt angeordnet, um den Temperaturgradienten der Düse 13 in horizontaler Richtung zu steuern. Spezifisch waren zwanzig aus Siliciumcarbid hergestellte Wärme abführende Elemente in 1-mm-Abständen bereitgestellt, und der Abstand zwischen der Düse 13 und den Wärme abführenden Elementen 41 war anfangs auf 1 mm festgelegt. Jedes der Wärme abführende Elemente wies die Form eines Prismas mit den Querschnittsmaßen 4 mm × 4 mm und einer Länge von 20 mm auf und war zur Bewegung in eine durch Pfeil D dargestellte Richtung fähig.
Ein Mechanismus zum Nach-unten-Ziehen der Einkristallplatte war bereitgestellt, mithilfe dessen eine Einkristallplatte mit einer einheitlich in einem Bereich von 2 bis 100 mm/h geregelten Ziehrate in vertikaler Richtung nach unten gezogen wird.
Ein fasriger Impfkristall aus Lithiumkaliumniobat wurde verwendet. Die Maße des Einkristalls beliefen sich auf 1 mm × 1 mm im Querschnitt und 15 mm in der Länge. Der Impfkristall war mithilfe eines wärmebeständigen, anorganischen Klebers an einer Haltstange angebracht, während die Haltstange wiederum mit dem Ziehmechanismus, nicht dargestellt, verbunden war.
Kaliumcarbonat, Lithiumcarbonat und Niobpentoxid wurden in einem Molverhältnis von 30:25:45 vermischt, um ein Rohmaterialpulver zu erhalten. Das Rohmaterialpulver wurde in den Platintiegel 7 eingebracht und der Tiegel korrekt angeordnet. Unter Einstellung der Temperatur im Raum 5 in der oberen Ofeneinheit in einem Bereich von 1100 bis 1200°C wurde das Rohmaterial im Tiegel 7 geschmolzen. Die Temperatur des Glühbereichs 20 in der unteren Ofeneinheit 3 wurde einheitlich auf 700°C eingestellt. Unter Zufuhr einer bestimmten Menge an elektrischer Leistung zum Tiegel 7, zum Düsenabschnitt 13 und zur Nachheizvorrichtung 15 und unter Zufuhr von Luft mit einer Rate von 50 l/min zum Kühlrohr 19 wurde ein Einkristall wachsen gelassen.
Der Tiegel 7 wies eine elliptische, planare Form im Querschnitt auf, wobei die Hauptachse, die Nebenachse und die Höhe 100 mm, 10 mm bzw. 10 mm betrugen, Die Länge des Verbindungsrohrabschnitts betrug 5 mm. Die Querschnittsmaße des planar verlaufenden Körpers 13b betrugen 1 mm × 100 mm. Die Maße der Öffnung 13c betrugen 1 mm Länge × 100 mm Breite. Unter diesen Bedingungen wurde der Impfkristall mit der aus der Öffnung hervorragenden Schmelze in Berührung gebracht.
In diesem Fall betrug die Temperatur des Einkristall-Wachstumsabschnitts 35 etwa 1000°C. Der Temperaturgradient unter der Öffnung 13c konnte auf etwa 150°C/mm innerhalb eines Bereichs von 1 mm von der Öffnung 13c des Düsenabschnitts 13, auf durchschnittlich 25°C/mm im Bereich von 1–5 mm und auf 1°C/mm im Bereich von 5–30 mm geregelt werden.
Unter diesen Bedingungen wurde der Impfkristall mit einer Rate von 10 mm/h nach unten gezogen. Folglich kristallisierte ein unterer Abschnitt des Schmelzebands langsam aus, um einen Schulterabschnitt auszubilden. Während das Rohmaterial mit gleichem Gewicht wie jenes der kristallisierten Schmelze dem Tiegel 7 zugeführt wurde, wurde der Kristall weiter wachsen gelassen. Beim weiteren Nach-unten-Ziehen des Kristalls nahm die Fläche des Schulterabschnitts weiter zu. Mit Zunahme der Breite des Schulterabschnitts aber nahm die Temperatur des Mittelabschnitts der Düse 13 durch die Abstrahlung des Einkristalls ab. Deshalb wurde die Menge der abgeführten Wärme durch Vergrößern des Abstands zwischen dem Wärme abführenden Elements 41 in der Umgebung des Mittelabschnitts der Düse 13 und der Düse verringert, wodurch die Temperaturverteilung der Düse in horizontaler Richtung aufrechterhalten wurde. Durch Wiederholen dieses Vorgangs mit fortschreitendem Wachstum des Kristalls wurde die Breite des Schulterabschnitts schrittweise auf schlussendlich 80 mm bei einer Dicke von 1 mm vergrößert.
Während die Breite bei 80 mm gehalten wurde und das Rohmaterial mit gleichem Gewicht wie jenes der kristallisierten Schmelze dem Tiegel 7 zugeführt wurde, wurde der Kristall weiter wachsen gelassen, bis die Gesamtlänge des Schulterabschnitts und des planaren Körpers 150 mm erreichte, wonach der planare Körper von der Düse abgeschnitten und langsam abgekühlt wurde.
Die Gitterkonstante des Schulterabschnitts des erhaltenen planaren Körpers wurde gemessen und ergab für die Länge der a-Achse 12,57 Å und für die Länge der c-Achse 4,03 Å. Das Molverhältnis von Kalium, Lithium und Niob betrug 30:18:52. Die Halbwertsbreite der Röntgen-"Rocking-Curve" betrug 50 Sekunden. Während des Wachstums und der langsamen Abkühlung des Kristalls entstanden keine Risse.
Beispiel 2
Ein planarer Körper wurde so wie in Beispiel 1 gezüchtet, mit der Ausnahme, dass die Heizvorrichtungen so wie in 4 dargestellt angeordnet waren und aus Drähten aus einer Platin-Rhodium-Legierung mit jeweils einem Durchmesser von 1 und einer Breite von 4 mm bestanden. Der Zwischenraum zwischen benachbarten Heizvorrichtungen 42 war jeweils auf 1 mm festgelegt, und es wurden zwanzig Heizvorrichtungen angeordnet. Mit zunehmender Breite des Schulterabschnitts wurde die horizontale Temperaturverteilung durch Anheben der Ausgangsleistung der Heizvorrichtung in der Umgebung des Mittelabschnitts der Düse 13 gleichmäßig gehalten, um einen ähnlichen planaren Körper wie in Beispiel 1 zu erhalten.
Beispiel 3
Ein planarer Körper wurde so wie in Beispiel 1 gezüchtet, mit der Ausnahme, dass Kühlmittel-Blasvorrichtungen 43 so wie in 6 dargestellt angeordnet waren. Die Vorrichtungen 43 bestanden aus Aluminiumoxidröhren mit einem Außendurchmesser von 4 mm, und die Strömungsrate der Luft durch jede der Aluminiumoxidröhren 43 konnte unabhängig gesteuert werden. Der Zwischenraum zwischen benachbarten Aluminiumoxidröhren war jeweils auf 1 mm festgelegt, und es wurden zwanzig Aluminiumoxidröhren angeordnet.
Mit zunehmender Breite des Schulterabschnitts nahm die Temperatur des Mittelabschnitts der Düse 13 durch die Abstrahlung des Einkristalls ab. Um diese Abnahme auszugleichen wurde die Gesamtmenge der elektrischen Leistung, die der Düse 13 zuzuführen ist, angehoben, um die Temperatur des Mittelabschnitts der Düse 13 auf Optimaltemperatur zu halten. Da die Temperatur der beiden Enden der Düse 13 in senkrecht zur Düse stehender Richtung angehoben und die Breite des Schulterabschnitts aufhörte zu wachsen, wurde in diesem Zustand Luft aus den Aluminiumoxidröhren 43, die an beiden Enden der Düse 13 angeordnet waren, zur Düse 13 hin geblasen, um die horizontale Temperaturverteilung der Düse 13 gleichmäßig zu halten, wodurch ein ähnlicher planarer Körper wie in Beispiel 1 erhalten wurde.
Beispiel 4
Ein planarer Körper wurde so wie in Beispiel 1 gezüchtet, mit der Ausnahme, dass zwei Kühlmittel-Blasvorrichtungen 44 so wie in 7 dargestellt angeordnet waren. Die Vorrichtung 44 bestand aus Aluminiumoxidröhren mit einem Außendurchmesser von 6 mm, und die Strömungsrate der Luft durch jede der Aluminiumoxidröhren 44 konnte unabhängig gesteuert werden.
Mit zunehmender Breite des Schulterabschnitts nahm die Temperatur des Mittelabschnitts der Düse 13 durch die Abstrahlung des Einkristalls ab. Um diese Abnahme auszugleichen, wurde die Gesamtmenge der elektrischen Leistung, die der Düse 13 zuzuführen ist, angehoben, um die Temperatur des Mittelabschnitts der Düse 13 auf Optimaltemperatur zu halten. Da die Temperatur der beiden Enden der Düse 13 in senkrecht zur Düse stehender Richtung angehoben war und die Breite des Schulterabschnitts aufhörte zu wachsen, wurde in diesem Zustand Luft mit einer Rate von 1 l/min durch die Aluminiumoxidröhren 44 zu Stellen geblasen, die 5 mm von den beiden Enden des Schulterabschnitts beabstandet waren, um die Temperatur der Düse in der Nähe des Kristall-Wachstumsabschnitts zu senken, wodurch das Wachstum des Schulterabschnitts beschleunigt wurde. Mit zunehmender Breite des Schulterabschnitts wurden die Aluminiumoxidröhren 44 verschoben, sodass die Aluminiumoxidröhren 5 mm zum Ende des Schulterabschnitts beabstandet waren. Folglich wurde ein ähnlicher planarer Körper wie in Beispiel 1 erhalten.
Beispiel 5
Ein planarer Körper wurde so wie in Beispiel 1 gezüchtet, mit der Ausnahme, dass eine elektrizitätsleitendende Einheit 45 so wie in 8 dargestellt verwendet wurde. Der Zwischenraum zwischen benachbarten Zuleitungskabeln 32A–32J war jeweils auf 5 mm festgelegt. Zu Beginn des Wachstums wurde die zugeführte elektrische Leistung zwischen den benachbarten Kabeln an der gesamten Düse 13 einheitlich eingestellt. Da die Temperatur in der Umgebung des Mittelabschnitts der Düse 13 zu sinken begann, während die Breite des Schulterabschnitts zunahm, wurde die der Umgebung des Mittelabschnitts der Düse zugeführte elektrische Leistung angehoben, um die Temperatur der Düse in horizontaler Richtung einheitlich zu halten. Folglich wurde ein ähnlicher planarer Körper wie in Beispiel 1 erhalten.
Vergleichsbeispiel 1
Ein planarer Körper wurde so wie in Beispiel 1 gezüchtet, mit der Ausnahme, dass die Wärme abführende Vorrichtung aus 5 nicht bereitgestellt war. Folglich nahm mit dem Wachstum des Schulterabschnitts die Temperatur in der Umgebung des Mittelabschnitts der Düse 13 durch die Abstrahlung des Einkristalls ab, und die Kristallisation des geschmolzenen Rohmaterials wurde in der Umgebung des Mittelabschnitts beschleunigt. Sobald die Breite des Einkristalls 50 mm erreicht hatte, wurde die Düse in der Umgebung des Mittelabschnitts der Düse 13 mit dem Einkristall in Berührung gebracht, was zu einer Verschlechterung im Einkristall führte.
Vergleichsbeispiel 2
Ein planarer Körper wurde so wie in Beispiel 1 gezüchtet. Die Temperatur in der Umgebung des Mittelabschnitts der Düse 13 nahm mit dem Wachstum des Schulterabschnitts durch die Abstrahlung des Einkristalls ab. Die Verschlechterung des Einkristalls wie in Vergleichsbeispiel 1 wurde verhindert, indem die Menge der elektrischen Leistung, die der Düse 13 zugeführt wird, angehoben wurde, um die Temperatur 13 an der gesamten Düse 13 anzuheben. In der Folge stoppte das Wachstum des Einkristalls in der Richtung der Breite, sobald die Breite des Einkristalls 50 mm erreicht hatte.
Wie oben erwähnt kann gemäß der vorliegenden Erfindung beim Wachsenlassen des planaren Körpers aus dem Oxid-Einkristall mithilfe des μ-Ziehverfahrens die Breite des Schulterabschnitts vergrößert und die Bildung polykristalliner Bereiche, von Rissen und Verschlechterungen in der Umgebung des Mittelabschnitt des planaren Körpers verhindert werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines planaren Körpers (14B) aus einem Oxid-Einkristall, wobei das Verfahren die Bereitstellung einer Schmelze (8) aus dem Rohmaterial des Oxid-Einkristalls in einem Tiegel (7), das In-Berührung-Bringen eines Impfkristalls (30) mit der Schmelze des Rohmaterials in der Nähe einer Öffnung (13c) einer Düse (13) des Tiegels, das Ziehen der Schmelze aus der Öffnung durch das Hinunterziehen des Impfkristalls und das Wachsen-Lassen des planaren Körpers umfasst, worin die Temperaturverteilung der Düse in einer senkrecht zur Ziehrichtung (B) stehenden Richtung (A) durch die Zufuhr von Wärme zur Düse und/oder durch die Abfuhr von Wärme von der Düse gesteuert wird.
Verfahren zur Herstellung eines planaren Körpers aus einem Oxid-Einkristall nach Anspruch 1, worin, in einer senkrecht zur Ziehrichtung stehenden Richtung gesehen, die Menge der an die Umgebung beider Enden (13e) des planaren Körpers der Düse zugeführten Wärme kleiner als jene ist, die dem Mittelabschnitt (13d) der Düse zugeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines planaren Körpers aus einem Oxid-Einkristall nach Anspruch 1 oder 2, worin eine Vielzahl an Heizvorrichtungen (42) an Stellen, die der Düse gegenüberliegen, bereitgestellt sind und die von jeder der Heizvorrichtungen zur Düse zugeführte Menge an Wärme durch Ändern der elektrischen Leistung, die den einzelnen Heizvorrichtungen zuzuführen ist, geregelt wird.
Verfahren zur Herstellung eines planaren Körpers aus einem Oxid-Einkristall nach Anspruch 1 oder 2, worin die Menge der der Düse zugeführten Elektrizität in eine senkrecht zur Ziehrichtung stehende Richtung gesteuert wird, wenn die Düse durch die Zufuhr von Elektrizität zur Düse beheizt wird.
Verfahren zur Herstellung eines planaren Körpers aus einem Oxid-Einkristall nach Anspruch 1, worin, in einer senkrecht zur Ziehrichtung stehenden Richtung gesehen, die Menge der von der Umgebung beider Enden (13e) des planaren Körpers der Düse abgeführten Wärme größer als jene ist, die von einem Mittelabschnitt (13d) der Düse abgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines planaren Körpers aus einem Oxid-Einkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin eine Vielzahl an Wärme abführenden Blöcken (41) an Positionen, die der Düse gegenüberliegen, bereitgestellt sind und die durch jedes der Wärme abführenden Blöcke von der Düse abgeführte Menge an Wärme durch Anpassen der Abstände zwischen den einzelnen Wärme abführenden Blöcken und der Düse gesteuert wird.
Verfahren zur Herstellung eines planaren Körpers aus einem Oxid-Einkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin eine Vielzahl an Vorrichtungen (43) zur Zufuhr eines Kühlmittels an Positionen, die der Düse gegenüberliegen, bereitgestellt sind und die durch das Kühlmittel von der Düse abgeführte Menge an Wärme durch Anpassen der Menge an Kühlmittel, die von den einzelnen Kühlmittel-Zufuhrvorrichtungen zugeführt wird, gesteuert wird.
Verfahren zur Herstellung eines planaren Körpers aus einem Oxid-Einkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin zumindest eine Wärme abführende Vorrichtung an einer Stelle, die der Düse gegenüberliegt; bereitgestellt ist und worin, in einer senkrecht zur Ziehrichtung stehenden Richtung gesehen, die Positionen der Wärme abführenden Vorrichtungen sich mit fortschreitendem Wachstum des planaren Körpers ändern.
Verfahren zur Herstellung eines planaren Körpers aus einem Oxid-Einkristall nach Anspruch 1, worin, in einer senkrecht zur Ziehrichtung stehenden Richtung gesehen, Wärme einem Mittelabschnitt (13d) der Düse zugeführt wird und in der Umgebung der beiden Enden (13e) des planaren Körpers der Düse abgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines planaren Körpers aus einem Oxid-Einkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin der planare Körper so wachsen gelassen wird, dass ein Schulterabschnitt (14A) ausgebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines planaren Körpers aus einem Oxid-Einkristall nach Anspruch 10, worin zur Ziehrichtung (B) ein Neigungswinkel (θ) eines Schulterabschnitts (14A) des planaren Körpers zu beobachten ist und worin die Temperaturverteilung der Düse in Abhängigkeit vom Neigungswinkel geregelt wird, während der planare Körper wachsen gelassen wird.
Vorrichtung zur Herstellung eines planaren Körpers (14B) aus einem Oxid-Einkristall, umfassend einen Tiegel (7) für eine Schmelze (8) aus dem Rohmaterial des Oxid-Einkristalls und eine Temperaturreglereinheit, wobei der Tiegel eine mit einer Öffnung (13c) versehene Düse (13) aufweist und die Temperaturreglereinheit geeignet ist, um die Temperaturverteilung der Düse in eine senkrecht zu einer Ziehrichtung (B) stehenden Richtung (A) zu regeln, indem sie der Düse Wärme zuführt und/oder Wärme von der Düse abführt, worin ein Impfkristall (30) mit einer Schmelze in Berührung gebracht wird und der Oxid-Einkristall durch Hinunterziehen des Impfkristalls und Ziehen der Schmelze aus der Öffnung des Tiegels wachsen gelassen wird.
Vorrichtung zur Herstellung eines planaren Körpers aus einem Oxid-Einkristall nach Anspruch 12, weiters umfassend eine Vielzahl an Heizvorrichtungen (42), die an einer der Düse gegenüberliegen Stelle bereitgestellt sind.
Vorrichtung zur Herstellung eines planaren Körpers aus einem Oxid-Einkristall nach Anspruch 12, weiters umfassend eine Elektrizitätszufuhreinheit zur Regelung der Menge an Elektrizität, die der Düse in einer senkrecht zur Ziehrichtung stehenden Richtung zugeführt wird, wenn die Düse durch die Zufuhr von Elektrizität zur Düse beheizt wird.
Vorrichtung zur Herstellung eines planaren Körpers aus einem Oxid-Einkristall nach Anspruch 12, weiters umfassend eine Vielzahl an Wärme abführenden Blöcken (41), die an einer der Düse gegenüberliegenden Stelle bereitgestellt sind, und eine Antriebsvorrichtung zur Änderung des Abstands zwischen den einzelnen Wärme abführenden Blöcken und der Düse.
Vorrichtung zur Herstellung eines planaren Körpers aus einem Oxid-Einkristall nach Anspruch 12, weiters umfassend eine Vielzahl an Kühlmittel-Zufuhrvorrichtungen (43), die in der Düse gegenüberliegen Positionen bereitgestellt sind.