-
Hintergrund der Erfindung
-
(1) Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Herstellung eines Oxid-Einkristalls.
-
(2) Stand der Technik
-
Ein
Einkristall von Lithiumkaliumniobat und ein Einkristall einer festen
Lösung
von Lithiumkaliumniobat-Lithiumkaliumtantalat finden insbesondere
als Einkristalle für
eine Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen (SHG)
mit Blaulicht für
einen Halbleiterlaser Beachtung. Die Vorrichtung kann sogar UV-Licht
mit einer Wellenlänge
von 390 nm oder dergleichen emittieren, wodurch sich die Kristalle
für eine
große
Bandbreite an Anwendungen eignen, wie z.B. für optische Plattenspeicher,
in der Medizin und Photochemie sowie für verschiedene optische Messverfahren,
bei denen solche kurzwellige Strahlen verwendet werden. Da obige
Einkristalle über
eine starke elektro-optische Wirkung verfügen, können sie auch bei optischen
Plattenspeichern angewandt werden, die sich die Lichtbrechungswirkung
zunutze machen.
-
Bei
einer Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen kann
jedoch beispielsweise sogar eine kleine Schwankung in der Zusammensetzung
des Einkristalls die Wellenlänge
der von der Vorrichtung erzeugten zweiten harmonischen Welle beeinflussen.
Deshalb muss der für
die Einkristalle erforderliche Zusammensetzungsbereich exakt bestimmt
werden, und die Schwankungen in der Zusammensetzung sollten auf
einen engen Bereich begrenzt sein. Da die Zusammensetzung jedoch
aus drei oder vier Komponenten besteht, ist es äußerst schwierig, einen Einkristall
bei hoher Geschwindigkeit wachsen zu lassen, während gleichzeitig darauf geachtet
werden muss, dass das Verhältnis
der Komponenten konstant bleibt.
-
Darüber hinaus
müssen
Laserstrahlen mit einer kurzen Wellenlänge von etwa 400 nm beispielsweise
im Einkristall bei optischen Anwendungen, insbesondere für die Erzeugung
der zweiten Harmonischen, mit der höchstmöglichen Leistungsdichte verbreitet
werden, wobei optische Schäden
vermieden werden müssen.
Dazu ist eine gute Kristallinität
des Einkristalls erforderlich.
-
NGK
Insulators, Ltd., haben beispielsweise in JP-A-8-319.191 ein Mikro-(μ-)Verfahren
zum Nachuntenziehen für
das Wachsenlassen des obigen Einkristalls mit den konstanten Zusammensetzungsanteilen
vorgeschlagen. In diesem Verfahren wird ein Rohmaterial, das Lithiumkaliumniobat
umfasst, in einen Platinschmelztiegel platziert und geschmolzen, wonach
die Schmelze langsam und kontinuierlich durch eine Düse, die
am Boden des Schmelztiegels angebracht ist, nach unten gezogen wird.
-
Ein
solches Mikroverfahren zum Nachuntenziehen eignet sich zum Züchten des
obigen Oxid-Einkristalls, der viele Komponenten aufweist. Für den weitverbreiteten
Gebrauch des obigen Einkristalls ist eine gesteigerte industrielle
Produktivität
jedoch unerlässlich.
Zu diesem Zweck muss das Fassungsvermögen des Schmelztiegels vergrößert werden,
damit so viele Einkristalle wie möglich wachsen gelassen werden
können.
Dazu ist erforderlich, dass unter dem Schmelztiegel eine Antriebseinheit
bereitgestellt ist, ein Keimkristall an ein oberes Ende der Antriebseinheit
festgemacht ist, der Keimkristall mit der Schmelze im Schmelztiegel
in Berührung
ist und der Keimkristall so gerade wie möglich mit hoher Präzision nach
unten gezogen wird. Als derartig präzisen Mechanismus zum Nachuntenziehen
kann beispielsweise eine Antriebseinheit mit einer Schiene verwendet werden.
-
Massenherstellungsversuche
der Erfinder der vorliegenden Erfindung ergaben jedoch, dass ein Einkristall
mit guter Kristallinität
erfolgreich wachsen gelassen werden konnte, indem der Keimkristall
mit hoher Präzision
zu Beginn nach unten gezogen wurde, wobei sich mit (im Laufe der
Zeit) zunehmender Wachstumslänge
des Oxid-Einkristalls
die Kristallinität
des Oxid-Einkristalls verschlechtert, wodurch die Ausbeute verringert
wird.
-
In
der DE-A-2409640 ist eine Vorrichtung zur optischen Orientierung
eines Einkristalls zur Verwendung in der Halbleiterherstellung beschrieben,
die einen Ständer
aufweist, der eine Winkel- und Drehungseinstellung der Kristallposition
ermöglicht.
-
Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Verschlechterung der
Kristallinität
eines Einkristalls zu verhindern, die mit Zunahme der Wachstumslänge des
Einkristalls einhergeht, wenn ein Rohmaterial für den Oxid-Einkristall in einem
Schmelztiegel geschmolzen, ein Keimkristall mit der Schmelze in
Berührung
gebracht und der Oxid-Einkristall
wachsen gelassen wird, während
er durch eine Öffnung
des Schmelztiegels entlang einer bestimmten Ziehachse nach unten
gezogen wird.
-
In
einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Herstellung eines Oxid-Einkristalls bereitgestellt, wie in Anspruch
1 dargelegt.
-
In
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung
zur Herstellung eines Einkristalls eines Oxids bereitgestellt, wie
in Anspruch 5 dargelegt.
-
Hinsichtlich
der oben angeführten
Fälle,
bei denen die Kristallinität
der Einkristalle mit zunehmender Wachstumslänge schrittweise schlechter
wurden, unterzogen die Erfinder der vorliegenden Erfindung den Zustand
der Einkristallfasern und der Platten einer detaillierten Untersuchung.
Dies ergab, dass der Durchmesser entlang eines Endes in Richtung
des anderen Endes des Einkristalls leicht abnahm. Anders gesagt
wurde ersichtlich, dass der Durchmesser der Einkristallfasern tendenziell
entlang des Wachstumsbeginnendes in Richtung des Wachstumsabschlussendes
leicht abnahm. Zudem wurde herausgefunden, dass sich die Einkristallplatte
leicht verdrehte.
-
Auf
diesen Kenntnissen beruhend unternahmen die Erfinder der vorliegenden
Erfindung weitere Forschungen und kamen zum Schluss, dass die Art und
Weise, wie der Keimkristall gehalten wird, ein Grund sein könnte. Dies
bedeutet, dass der Keimkristall nach dem Festmachen am Halteelement
nach unten gezogen werden muss. Zum Festmachen des Keimkristalls
am Halteelement wird eine spezifische Kristallorientierung des Keimkristalls
als Kristallwachstumsrichtung ausgewählt, wonach diese Kris tallorientierung
mit der Richtung der Ziehachse ausgerichtet wird. Die so ausgewählte Kristallorientierung
verläuft
herkömmlicherweise
parallel zur Richtung einer spezifischen Seite, die die äußere Konfiguration
des Keimkristalls bildet. Deshalb muss die Richtung der spezifischen
Seite des Keimkristalls (nämlich
die obige Kristallorientierung des Keimkristalls) mit der Ziehachse
ausgerichtet werden, wenn der Keimkristall gerade an das Halteelement
festgemacht ist, wobei die spezifische Seite als Bezug genommen
wird.
-
Sogar
wenn der Keimkristall an das Halteelement in einem Zustand festgemacht
wird, bei dem die obige Kristallorientierung des Keimkristalls mit
der Ziehachse ausgerichtet ist, wird dennoch angenommen, dass die
Kristallorientierung des Keimkristalls aufgrund unspezifischer Ursachen,
wie z.B. nicht einheitlichem Schrumpfen des Haftmittels während des Härtens, sogar
von der Ziehachse abweichen kann. In einem solchen Fall ist die
Kristallorientierung des Keimkristalls gegenüber der Ziehachse schief, sogar wenn
der Keimkristall entlang der Ziehachse nach unten gezogen wird.
Der Oxid-Einkristall wächst
entlang der Kristallorientierung des Keimkristalls. Folglich neigt
sich die Einkristallwachstumsrichtung leicht zur Ziehachse. Daraus
ergibt sich die Annahme, dass trotz Nichtvorliegen eines ernsten
Problems zum Zeitpunkt des Einkristallwachstumsbeginns der Durchmesser
der Einkristallfaser langsam abnimmt oder die Breite der Einkristallplatte
sich schrittweise mit wachsender Länge des Einkristalls verringert.
-
Darauf
beruhend haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung versucht,
einen Kippmechanismus bereitzustellen, um das Halteelement durch
Verändern
seines Winkels zur Ziehachse zu neigen, das Halteelement in Bezug
zur Ziehachse zu neigen, nachdem der Keimkristall vom Halteelement
gehalten worden ist, und dadurch den Winkel der Ziehachse auf die
für das
Wachstum des Kristalls ausgewählte
Kristallorientierung zu reduzieren. Dadurch gelang es den Erfindern
der vorliegenden Erfindung, das Kleinerwerden des Durchmessers der
Einkristallfaser und die Abnahme der Breite der Einkristallplatte
zu verhindern. Zudem fanden die Erfinder der vorliegenden Erfindung
heraus, dass die Kristallinität
des Einkristalls, verglichen mit der Kristallinität zum Zeitpunkt
des Kristallwachstumsbeginns, nicht verschlechtert wurde.
-
In
der vorliegenden Erfindung ist der Winkel der Kristallorientierung
des Keimkristalls, der für
das Kristallwachstum ausgewählt
wurde, zur Ziehachse insbesondere auf nicht mehr als 0,5°, noch bevorzugter
nicht mehr als 0,2°,
eingestellt.
-
Der
Keimkristall weist vorzugsweise eine Querschnittsform auf, die mit
der Bodenfläche
des Düsenabschnitts
identisch oder dieser ähnlich
ist, jedoch kleiner als diese ist und verglichen damit in allen Richtungen
eine reduzierte Größe aufweist.
Anders gesagt weist der Boden des Düsenabschnitts eine polygonale
Querschnittsform auf, beispielsweise eine rechteckige Querschnittsform,
und der Keimkristall weist eine polygonale, beispielsweise rechteckige,
Querschnittsform auf, die mit jener der Düsenbodenfläche identisch oder dieser ähnlich ist,
jedoch eine verringerte Größe aufweist.
Was Letzteres betrifft, kann die Querschnittsform des Keimkristalls
beispielsweise 30 mm × 1
sein, wenn die Bodenfläche des
Düsenabschnitts
50 mm × 2
mm beträgt.
-
In
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist der Ständer
mit einem Drehmechanismus zum Drehen des Halteelements um die Ziehachse
bereitgestellt. Nachdem der Keimkristall vom Halteelement gehalten
wird, wird das Halteelement gedreht, damit die Querschnittsform
des Keimkristalls der Bodenfläche
des Düsenabschnitts
entspricht. "Damit
die Querschnittsform des Keimkristalls der Bodenfläche des
Düsenabschnitts
entspricht" bedeutet,
dass die Seiten der Querschnittsform des Keimkristalls so angeordnet
sind, dass sie den entsprechenden Seiten der Bodenfläche des
Düsenabschnitts
entsprechen oder diesen gegenüberliegen.
Indem der Keimkristall um die Ziehachse gedreht wird, werden die
Winkel, die von einer Vielzahl an Paaren der Seiten der polygonalen
Querschnittsform des Keimkristalls und den entsprechenden der polygonalen
Form der Öffnung des
Schmelztiegels definiert sind, jeweils verkleinert. Dieser Winkel
beträgt
vorzugsweise nicht mehr als 0,5°,
noch bevorzugter nicht mehr als 0,3°.
-
Im
Folgenden wird diese Ausführungsform beschrieben.
Wenn beispielsweise eine Einkristallplatte wachsen gelassen wird,
ist die gewachsene Einkristallplatte abgesehen von den oben erläuterten Problemen
leicht verdreht. Wie oben erläutert,
haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung versucht, den Drehmechanismus
zum Drehen des Keimkristalls um die Ziehachse bereitzustellen und
die Konfiguration des Querschnitts des Keimkristalls jener der Bodenfläche der
Düse durch
Drehen des Halteelements anzunähern.
In der Folge wurde herausgefunden, dass die Verdrehungsverformung
der gewachsenen Einkristallplatte reduziert oder fast nicht zu erkennen
war und die Kristallinität
sich über
der gesamten Länge
der Einkristallplatte verbessert hatte.
-
Die
Konfiguration der Bodenfläche
des Düsenabschnitts
und die Querschnittskonfiguration des Keimkristalls sind insbesondere
quadratisch oder rechteckig. Dabei beträgt das Verhältnis zwischen den benachbarten
Seiten vorzugsweise insbesondere 1:1 bis 100.
-
Nachstehend
ist eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung
anhand von Beispielen veranschaulicht. 1 ist eine
schematische Schnittansicht, die die Herstellungsvorrichtung zum
Wachsenlassen der Einkristalle darstellt, und 2 ist
eine Vorderansicht, die einen Ständer 30 zum
Festhalten eines Keimkristalls darstellt.
-
Ein
Schmelztiegel 7 wird in ein Ofengehäuse platziert. Eine obere Ofeneinheit 1 ist
so angeordnet, dass der Schmelztiegel 7 und ein oberer
Raum 5 davon umgeben sind, und weist ein darin eingebettetes Heizelement 2 auf.
Ein Düsenabschnitt 13 erstreckt sich
vom Bodenteil des Schmelztiegels 7 nach unten verlaufend,
und eine Öffnung 13a ist
am unteren Ende der Düse 13 ausgebildet.
Eine untere Ofeneinheit 3 ist so angeordnet, dass der Düsenabschnitt und
ein unterer Bereich 6 davon umgeben sind, und weist ein
darin eingebettetes Heizelement 4 auf. Sowohl der Schmelztiegel 7 als
auch der Düsenabschnitt 13 bestehen
aus einem korrosionsbeständigen
leitfähigen
Material.
-
Einer
der elektrischen Pole einer elektrischen Stromquelle 10 ist
mit einer Stelle A des Schmelztiegels 7 über einen
Draht 9 verbunden, und der andere Pol ist auf ähnliche
Weise mit einer niedriger liegenden gebogenen Stelle B des Schmelztiegels 7 verbunden.
Ein elektrischer Pol einer anderen Stromquelle 10 ist mit
einer Stelle C des Düsenabschnitts 13 über einen
Draht 9 verbunden und der andere auf ähnliche Weise mit einem niedriger
liegenden Ende D des Düsenabschnitts 13.
Diese stromdurchlassenden Systeme sind so voneinander getrennt,
dass deren Spannungen unabhängig
voneinander geregelt werden können.
-
Zudem
liegt ein Nachheizelement 12 im Raum 6 so vor,
dass die Düse 13 mit
einem Abstand dazwischen davon umgeben ist. Ein Einlassschlauch 11 erstreckt
sich nach oben hin im Schmelztiegel 7, und eine Einlassöffnung 22 ist
am oberen Ende des Einlassschlauchs 11 bereitgestellt.
Die Einlassöffnung 22 steht
aus einem Bodenabschnitt einer Schmelze hervor.
-
Die
obere Ofeneinheit 1, die untere Ofeneinheit 3 und
das Nachheizelement 12 können erhitzt werden, um eine
geeignete Temperaturverteilung für jeweils
den Raum 5 und den Raum 6 einzustellen. Anschließend wird
ein Rohmaterial der Schmelze in den Schmelztiegel 7 zugeführt und
zum Erhitzen der Schmelztiegel 7 sowie die Düse mit Strom
versorgt. In diesem Zustand steht eine geringe Menge der Schmelze 8 durch
die Öffnung 13a an
einem Einkristallwachstumsabschnitt 35 am unteren Endabschnitt des
Düsenabschnitts 13 hervor.
-
In
diesem Zustand wird ein Keimkristall nach oben hin bewegt, sodass
eine obere Fläche 15c des Keimkristalls 15 mit
der Schmelze 8 in Berührung kommt.
Anschließend
wird der Keimkristall 15 nach unten gezogen. Zu diesem
Zeitpunkt bildet sich eine einheitliche Festphasen/Flüssigphasen-Grenzfläche (Meniskus)
zwischen dem oberen Ende des Keimkristalls 15 und der Schmelze 8 aus,
wobei diese von der Düse 13 nach
unten gezogen wird. In der Folge kommt es zu einer kontinuierlichen
Ausbildung eines Einkristalls 14 an der oberen Seite des
Keimkristalls 15, der nach unten hin ausgezogen wird.
-
Als
Keimkristalle können
solche verwendet werden, die verschiedene Formen aufweisen. In dieser
Ausführungsform
wird beispielsweise ein planarer Keimkristall, nämlich eine Einkristallplatte,
als Keimkristall verwendet. Wie in den 2, 3(a) und 3(b) angeführt, weist
der Keimkristall ein Paar an breiten Hauptebenen 15a, ein
Paar an Seitenebenen 15b, eine obere Fläche 15c zum Kontaktieren
der Schmelze und eine untere Fläche 15d gegenüber der oberen
Fläche 15c auf.
-
Ein
Ständer 30 ist
auf einem Anpasstisch 24 angeordnet. Der Anpasstisch 24 ist
an einen nicht gezeigten externen Antriebsmechanismus befestigt. Der
Antriebsmechanismus zieht den gesamten Ständer 30 entlang der
Ziehachse P nach unten.
-
Der
Boden 15d des Keimkristalls 15 ist mit einem Haftmittel 16 an
ein oberes Ende des Halteelements 17 gebunden. Das untere
Ende des Halteelements 17 ist mit einem Spannfutter 18 in
einen Einstellmechanismus unter dem Spannfutter gespannt. Der gesamte
Einstellmechanismus ist auf dem Anpasstisch 24 festgemacht.
Der Einstellmechanismus umfasst einen Drehmechanismus 19,
einen Kippmechanismus 20 und einen Horizontalbewegungsmechanismus 25.
-
Der
Drehmechanismus 19 kann das Halteelement um die Ziehachse
P drehen. Der Kippmechanismus 20 kann das Halteelement 17,
in Bezug auf die Ziehachse, in eine beliebige Richtung drehen. Der
Horizontalbewegungsmechanismus 25 umfasst einen X-Achsen-Drehmechanismus 23 und
einen Y-Achsen-Drehmechanismus 21. Der X-Achsen-Drehmechanismus 23 kann,
wie in 3(b) angeführt, das Halteelement beliebig
in X-Achsenrichtung bewegen. Der Y-Achsen-Drehmechanismus 21 kann
das Halteelement beliebig in Y-Achsenrichtung bewegen. Die Z-Achse
in 3(b) entspricht der Ziehachse P.
-
In
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird ein Keim-Einkristall 15 an das Halteelement gebunden
und anschließend
eine Vielzahl, beispielsweise 10 Einkristalle, nacheinander wachsen
gelassen. Deshalb werden beispielsweise nach erfolgtem Wachsenlassen
der ersten Einkristallfaser oder -platte Größenveränderungen, wie z.B. Durchmesser
und Breite, des Querschnitts des Einkristalls detailliert unter sucht.
Bei Abweichungen werden je nach Abweichung die Mechanismen 19 oder 20 betätigt. Dann folgt
der nächste
Vorgang zum Wachsenlassen.
-
Wenn
der Durchmesser der Einkristallfaser beispielsweise entlang eines
Endes zum anderen abnimmt, wird angenommen, dass der Winkel θ zwischen
der Kristallisationsorientierung L (siehe 3(a)),
ausgewählt
als Wachstumsrichtung, und der Ziehachse P groß ist. Deshalb wird der Winkel der
Wachstumsfläche
der Einkristallfaser gemessen, um die Richtung der Kristallisationsorientierung
L von diesem Winkel der kristallisierenden Fläche aus zu bestimmen. Anschließend werden
die Kristallisationsorientierung L und die Ziehachse P miteinander verglichen,
um den Winkel θ zu
ermitteln. Der Kippmechanismus 20 wird geneigt, um dem
Winkel θ zu entsprechen,
und es wird erneut wachsen gelassen. Ähnliche Einstellungen werden
dann vorgenommen, wenn die Breite der Einkristallplatte entlang
eines Endes zum anderen abnimmt.
-
Wenn
die Einkristallplatte verdreht ist, wird das Halteelement, wie durch α in der X-Y-Fläche (einer
Fläche,
die vertikal zur Ziehachse verläuft)
in 3(b) dargestellt, um die Ziehachse
P (Z-Achse) gedreht, und anschließend wird wachsen gelassen.
-
Obwohl
der Oxid-Einkristall keinen besonderen Einschränkungen unterliegt, sind dennoch
folgende anzuführen,
beispielsweise: Lithiumkaliumniobat (KLN), eine feste Lösung von
Lithiumkaliumniobat-Lithiumkaliumtantalat (KLTN: [K3Li2-x(TayNb1-y)5+xO15+2x]),
Lithiumniobat, Lithiumtantalat, feste Lösung von Lithiumniobat-Lithiumtantalat, Ba1-xSrxNb2O6, Mn-Zn-Ferrit, Yttriumaluminiumgranat,
substituiert mit Nd, Er und/oder Yb, YAG und YVO4,
substituiert mit Nd, Er und/oder Y.
-
Beispiele und Vergleichsbeispiele
-
Vergleichsbeispiel 1
-
Eine
Einkristallplatte aus Lithiumkaliumniobat wurde gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt, indem eine wie in 1 angeführte Einkristall-Herstellungsvorrichtung
verwendet wurde. Insbesondere wurde die Temperatur des gesamten
Ofens mit einer oberen Ofeneinheit 1 und einer unteren Ofeneinheit 3 gesteuert.
Der Temperaturgradient in der Nähe
des Einkristall-Wachstumsabschnitts 35 wurde gesteuert,
indem einem Düsenabschnitt 13 Strom
zugeführt
und Hitze durch ein Nachheizelement 12 erzeugt wurde. Ein
Mechanismus zum nach unten Ziehen von Einkristallen wurde befestigt,
um die Einkristallplatte in vertikaler Richtung herunterzuziehen,
während
die Ziehgeschwindigkeit gleichmäßig im Bereich
von 2 bis 100 mm/h gehalten wurde.
-
Ein
Rohmaterial zum Starten des Wachstums wurde hergestellt, indem Kaliumcarbonat,
Lithiumcarbonat und Niobatoxid in einem Molverhältnis von 30:25:45 vermischt
wurden. Etwa 10 g dieses wachstumseinleitenden Rohmaterials wurden
in einen Platinschmelztiegel 7 gefüllt und an einer vorbestimmten
Stelle platziert. Die Temperatur des Raums 5 in der oberen
Ofeneinheit 1 wurde auf den Bereich 1.100 bis 1.200° eingestellt,
und das Material wurde im Schmelztiegel geschmolzen. Die Temperatur
des Raums 6 in der unteren Ofeneinheit 3 wurde
einheitlich im Bereich von 500 bis 1.000° gehalten. Dem Schmelztiegel 7,
dem Düsenabschnitt 13 und
dem Nachheizelement 12 wurden bestimmte Strommengen zugeführt, wodurch
der Einkristall wuchs. Zu diesem Zeitpunkt konnte die Temperatur
des Einkristall-Wachstumsabschnitts auf 980 bis 1.150° und der Temperaturgradient
im Einkristall-Wachstumsabschnitt auf 10 bis 150°/mm eingestellt werden. Beim Wachsen
des Einkristalls wurde ein weiteres Rohmaterialpulver aus einem
externen nicht angeführten Rohmaterialzuführer kontinuierlich
zum Schmelztiegel zugeführt.
Als Rohmaterialpulver wurde eines verwendet, das durch Vermischen
von Kaliumcarbonat, Lithiumcarbonat und Nioboxid in einem Molverhältnis von
30:19:51 hergestellt wurde.
-
Als
Düsenabschnitt 13 wurde
ein planarer Düsenabschnitt
aus Platin verwendet. Die Maße
des Querschnitts der Innenfläche
des Düsenabschnitts betrugen
1 mm × 50
mm mit einer Länge
von 10 mm. Die Konfiguration des Schmelztiegels wies die Form eines
rechteckigen Parallelepipeds auf. Die Breite und Länge des
Innenraums des Schmelztiegels betrug 10 mm bzw. 50 mm mit einer
Tiefe von 10 mm. In diesem Zustand wurde eine Einkristallplatte
entlang einer Richtung <110> (für das Wachstum ausgewählte Kristallisationsorientierung)
mit einer Geschwindigkeit von 20 mm/h nach unten gezogen. Der Querschnitt
der Einkristallplatte wies eine rechteckige Form mit 1 mm × 30 mm
auf.
-
Als
Keimkristall wurde ein planarer Einkristall aus Lithiumkaliumniobat
verwendet. Der Keimkristall wies eine rechteckige Querschnittsform
mit 1 mm × 30
mm auf. Die Halbwertsbreite der Röntgenstrahlen-Schwingkurve
des Keimkristalls betrug 50 Sekunden (Messgerät: MRD-Diffraktometer von Philips, gemessene
Reflexion: 004).
-
Anschließend wurde
die Bodenfläche 15d des
Keimkristalls 15 mit einem wie in 2 angeführten anorganischen
hitzebeständigen
Haftmittel an das Halteelement 17 gebunden. Es wurden lediglich ein
sich horizontal bewegender Mechanismus 25 und ein Anpasstisch 24 unter
einem Spannfutter 18 angebracht.
-
In
der Folge wurde eine Einkristallplatte mit einer Länge von
100 mm wachsen gelassen. Diese Einkristallplatte wies eine Breite
von 30 mm und eine Dicke von 1,0 mm am Wachstumsbeginnpunkt sowie eine
Breite von 20 mm und eine Dicke von 0,7 mm am Wachstumsendpunkt
auf. Die Platte erschien unter visueller Betrachtung leicht verdreht.
Aus einer Stelle dieser Einkristallplatte wurde 50 mm vom Wachstumsbeginnpunkt
entfernt eine Probe herausgeschnitten und mittels Röntgenbeugung
untersucht, was eine Halbwertsbreite der Röntgenstrahlen-Schwingkurve
von nicht weniger als 100 Sekunden ergab.
-
Beispiel 1
-
Nachdem
das Vergleichsbeispiel 1 durchgeführt worden war, wurde die Einkristallplatte
von dem Keimkristall entfernt. Zu diesem Zeitpunkt war der Keimkristall 15 immer
noch an das Halteelement 17 gebunden. Anschließend wurde
ein Halteelement an einem Ständer 30 angebracht,
wie in 2 dargestellt, ohne dabei den Keimkristall 15 aus
dem Halteelement 17 zu entfernen. Dann wurde der Kippmechanismus 20 geneigt,
um den Winkel zwischen einer Richtung <110> im
Vergleichsbeispiel 1 und einer Ziehachse auf nicht mehr als 0,5° einzustellen.
Zudem wurde der Drehmechanismus 19 um 1° in eine solche Richtung gedreht,
dass die Verdrehung der Einkristallplatte aufgehoben wurde. Danach
wurde auf gleiche Weise wie im Vergleichsbeispiel 1 mittels der
Vorrichtung aus 1 erneut eine Einkristallplatte
aus Lithiumkaliumniobat wachsen gelassen.
-
Als
Ergebnis wurde eine Einkristallplatte in rechteckiger Form mit 1
mm × 30
mm mit einer Länge von
100 mm wachsen gelassen. Diese Einkristallplatte wies eine Breite
von 30 mm und eine Dicke von 1,0 mm beim Wachstumsbeginnpunkt sowie
eine Breite von 30 mm und eine Dicke von 1,0 mm am Wachstumsendpunkt
auf. Die Platte wies keine sichtbaren Verdrehungen auf. Aus einer
Stelle dieser Einkristallplatte wurde 50 mm vom Wachstumsbeginnpunkt entfernt
eine Probe herausgeschnitten und mittels Röntgenbeugung untersucht, was
eine Halbwertsbreite der Röntgenstrahlen-Schwingkurve
von 40 Sekunden ergab.
-
Vergleichsbeispiel 2
-
Als
Nächstes
wurde eine Einkristallplatte aus Lithiumkaliumniobat wachsen gelassen,
während
ein faseriger Einkristall aus Lithiumkaliumniobat als Keimkristall
verwendet wurde. Der Keimkristall wies eine quadratische Querschnittsform
von 1 mm × 1 mm
auf. Die Längsrichtung
der Faser wurde in eine <110>-Richtung gerichtet,
die mit der Kristallisierungsorientierung zum Kristallwachstum übereinstimmte.
Die Halbwertsbreite der Röntgenstrahlen-Schwenkkurve
des Keimkristalls ergab 80 Sekunden.
-
Eine
Einkristallherstellungsvorrichtung wurde gleich wie im Vergleichsbeispiel
1 hergestellt, und eine Einkristallplatte wurde wachsen gelassen.
Die Geschwindigkeit zum Herunterziehen des Keimkristalls betrug
20 mm/h. Die Breite und Dicke des wachsenden Einkristalls betrugen
beim Wachstumsbeginnpunkt gleich viel wie jene des Keimkristalls,
nämlich
1 mm × 1
mm. Als der Keimkristall heruntergezogen wurde, schritt das Wachstum
des Einkristalls voran, sodass die Breite des Einkristalls langsam
stieg, um einen Schulterabschnitt zu bilden. Wenn der Kristall eine
Breite von etwa 15 mm erreichte, wurde die positionelle Abweichung
zwischen dem Ende des Kristalls und dem Boden des Düsenabschnitts
größer, was
zu Verdrehungen führte.
Als Ergebnis war es schwierig, die Breite weiter zu erhöhen. Wenn
der Kristall in diesem Zustand kontinuierlich auf eine Länge von
100 mm wachsen gelassen wurde, betrug die Breite des Kristalls 10
mm und die Dicke 0,7 mm beim Wachstumsendpunkt. In der gesamten
Einkristallplatte kam es zu sichtbaren Verdrehungen. Aus einer Stelle
dieser Einkristallplatte wurde 50 mm vom Wachstumsbeginnpunkt entfernt
eine Probe herausgeschnitten und mittels Röntgenbeugung untersucht, was
eine Halbwertsbreite der Röntgenstrahlen-Schwingkurve
von nicht weniger als 100 Sekunden ergab.
-
Beispiel 2
-
Nachdem
das Vergleichsbeispiel 2 durchgeführt worden war, wurde die Einkristallplatte
von dem Keimkristall entfernt. Zu diesem Zeitpunkt war der Keimkristall 15 immer
noch an das Halteelement 17 gebunden. Anschließend wurde
ein Halteelement an einem Ständer 30 angebracht,
wie in 2 dargestellt, ohne dabei den Keimkristall 15 aus
dem Halteelement 17 zu entfernen. Dann wurde der Kippmechanismus 20 geneigt,
um den Winkel zwischen einer Richtung <110> im
Vergleichsbeispiel 2 und einer Ziehachse auf nicht mehr als 0,5° einzustellen.
Zudem wurde der Drehmechanismus 19 um 1° in eine solche Richtung gedreht,
dass die Verdrehung der Einkristallplatte aufgehoben wurde. Danach
wurde auf gleiche Weise wie im Vergleichsbeispiel 2 mittels der
Vorrichtung aus 1 erneut eine Einkristallplatte
aus Lithiumkaliumniobat wachsen gelassen.
-
In
Beispiel 2 stieg die Breite des Kristalls am Schulterabschnitt an,
ohne verdreht zu werden, und betrug schließlich 30 mm. In diesem Zustand
wurde der Kristall kontinuierlich auf eine Länge von 100 mm wachsen gelassen
und wies zu diesem Zeitpunkt eine Breite von 30 mm und eine Dicke
von 1,0 mm auf. Die Platte wies keine sichtbaren Verdrehungen auf.
Aus einer Stelle dieser Einkristallplatte wurde 50 mm vom Wachstumsbeginnpunkt
entfernt eine Probe herausgeschnitten und mittels Röntgenbeugung
untersucht, was eine Halbwertsbreite der Röntgenstrahlen-Schwingkurve
von 40 Sekunden ergab.
-
Wie
oben erläutert,
kann die Verschlechterung der Kristallinität des Einkristalls, die einem
Anstieg der Wachstumslänge
des Einkristalls folgen würde,
verhindert werden, wenn gemäß der vorliegenden
Erfindung das Rohmaterial des Oxid-Einkristalls im Schmelztiegel
geschmolzen wird, der Keimkristall mit der resultierenden Schmelze
in Berührung gebracht
wird und der Oxid-Einkristall wachsen gelassen wird, während die
Schmelze durch die Öffnung
des Schmelztiegels in vorbestimmter Richtung heruntergezogen wird.