WO2014161774A1 - Verfahren und anordnung zur gerichteten erstarrung eines einkristallinen plattenförmigen körpers - Google Patents

Verfahren und anordnung zur gerichteten erstarrung eines einkristallinen plattenförmigen körpers Download PDF

Info

Publication number
WO2014161774A1
WO2014161774A1 PCT/EP2014/056244 EP2014056244W WO2014161774A1 WO 2014161774 A1 WO2014161774 A1 WO 2014161774A1 EP 2014056244 W EP2014056244 W EP 2014056244W WO 2014161774 A1 WO2014161774 A1 WO 2014161774A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
region
melt
trough
monocrystalline
crystallization
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/056244
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Albrecht Seidl
Andreas Voitsch
Bernhard Birkmann
Christian KUDLA
Kirsten Stiebler
Original Assignee
Schott Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schott Ag filed Critical Schott Ag
Publication of WO2014161774A1 publication Critical patent/WO2014161774A1/de

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/003—Heating or cooling of the melt or the crystallised material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/002—Crucibles or containers for supporting the melt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/14—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method characterised by the seed, e.g. its crystallographic orientation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16—Oxides
    • C30B29/20—Aluminium oxides

Definitions

  • the invention relates to a method for the directional solidification of a monocrystalline disk or plate-shaped body, in particular in the form of a disc-shaped sapphire, from a in a peripheral wall and a bottom wall having arranged in an oven trough melted material, wherein inside in a first region of the Peripheral wall of the tub at least one Einkristallkeim is arranged and fused, the molten area comes into contact with molten material in the tub and then by the action of temperature, a crystal growth front is formed, which is moved from the at least one Einkristallkeim starting to the opposite side of the peripheral wall as a second area.
  • the invention also relates to an arrangement for the directional solidification of a monocrystalline plate-shaped body from a melt, in particular from an Al 2 0 3 melt, comprising a furnace, at least one horizontally oriented, the melt receiving, peripheral wall and bottom wall having pan and at least one heating element provided in the furnace, wherein a single crystal nucleus is arranged at a first region of the peripheral wall.
  • the invention relates to large format panels, which serve, inter alia, as windows for applications in the technical, military and civilian area.
  • These plates are typically transparent (200 nm - 5000 nm) in both the visible and near infrared ranges as required, have high mechanical strength, high scratch resistance, and chemical resistance, and are stable to high temperatures.
  • monocrystalline sapphire (A1 2 0 3 ) is typically used for such plates. Examples are JW Locher et al .: "Producing large EFG sapphire sheet for VIS-IR (500 nm - 5000 nm) window Applications "Proc.
  • the first group includes the Czochralski process, the Kyropoulos process, the HEM process (Heat Exchange Method), the Combes Heat Exchanger Solidification (CHES) process and the Vertical Horizontal Gradient Freeze (VHGF) process.
  • seed crystals having a smaller diameter than the target crystal are contacted from above or below with the sapphire melt contained in a crucible, and the subsequent controlled crystallization results in a cylindrical or (more rarely) parallelepiped crystalline shaped body.
  • the final shape is determined in the Czochralski and sometimes also in the Kyropoulos process by controlling the temperature and growth rate and by rotation of the growing crystal, so that forms a macroscopic cylindrical single crystal.
  • the crucible shape is more or less formed; typically round crucibles are used.
  • typically round crucibles are used.
  • the second group includes the EFG process (Edge-defined film-fed growth, also known as the Stepanov process) and the Bagdasarov process (also HDS or HDC processes, for Horizontal Directional Solidification or Crystallization).
  • EFG or Stepanov process the plate shape of the crystal is achieved by passing the melt through a capillary gap whose termination determines the shape. Again, the melt passing through the gap is brought into contact with a seed crystal, which has a much smaller width than the later width of the plate.
  • the method is z. B. in Dobrovinskaja 1999 described. The production of especially large plates with this method can be found in US-RE43469E.
  • the melt is in a flat, trough-shaped crucible, which typically tapers horizontally to one side. At the top of the taper sits a seed crystal with a much smaller size than the width of the melter; this is where the crystallization starts.
  • the entire melting tank is pulled away in the seed direction by a temperature gradient.
  • the submitted raw material does not melt completely but gradually. Crystallization takes place on one side of the hottest zone and melting of the slipping raw material on the other. Due to the flat crucible shape a close to final form body is achieved.
  • DE 10 2009 044 893 A1 relates to a method for producing a crystal body from a semiconductor material.
  • the crystal body produced is to be separated into semiconductor wafers and further processed to Halbleitr chips or solar cells.
  • the crystal body is produced in the form of cuboidal columns.
  • a melt solidifies in two mutually perpendicular directions.
  • the subject of EP 2 474 651 A2 is a process for producing a sapphire single crystal.
  • a melt in the bottom area is brought into contact with a seed crystal to form a cuboid crystalline shaped body.
  • the present invention has the object, a method and an arrangement of the type mentioned in such a way that with structurally simple measures monocrystalline disk or plate-shaped body, in particular made of sapphire windows are reproducible to produce, with elaborate mechanisms should be avoided.
  • a further aspect provides that it is ensured that the monocrystal seed used for the crystallization of the melt melts in a controlled manner.
  • the invention provides that the tub in the oven is arranged stationary and inclined sloping in the direction of crystallization, that height of the at least one single crystal nucleus at least equal to the height of the material to be melted in the tub after its melting, that the peripheral wall in the the first region having at least one single crystal nucleus is cooled in a controlled manner and that the movement of the crystal growth front to produce the disc or plate-shaped body is produced by a temperature gradient running horizontally in the furnace.
  • the process for directional solidification of the plate-shaped body is not required to be moved by a heating zone trough, which arrangement a large-volume furnace is needed, the inner bottom surface is at least twice as long as the length of the melt receiving tub.
  • the invention can basically a monocrystalline plate-shaped body of a surface directionally solidified, the size of which is essentially limited by the dimensioning of the melting furnace.
  • a plate-shaped or disc-shaped body is produced by a single directional solidification in the horizontal direction.
  • the trough in which the body solidifies directionally by an exclusively horizontally extending temperature gradient, is cooled in a controlled manner in the region in which the monocrystal nucleus is arranged, a targeted melting of the monocrystal nucleus can take place, so that it can be ensured that the monocrystalline nucleus not melted, but only melted to an extent that the required nucleation can be made for the material melted in the tub.
  • the temperature gradient along the trough can be selectively generated in order to form the crystallization growth front, that is to say the melt isotherm, to the desired extent and to guide it in the direction of crystallization.
  • the first region is cooled by contact with a heat dissipation element or by means of a cooling fluid or by heat radiation which penetrates at least one optionally cross-sectionally variable aperture of a tub surrounding the tub at least partially surrounding insulation.
  • the outside with a thermally conductive element for. B. graphite, molybdenum or tungsten or other high-melting material good heat conduction, which in turn is connected to the inside covered by an insulation wall of the furnace, ie with a low temperature range, or another active cooling element such as heat exchanger element.
  • the heating element in which it is z. B. is a resistance element made of graphite, molybdenum or tungsten or other suitable refractory material having sufficient electrical conductivity, the effluent heat is counter-heated to the temperature in the first region in which the Einkristallkeim is located, in particular to regulate.
  • a further possibility for setting the temperature of the first region consists in that an insulation surrounding the trough of the furnace has in the region of the first region one or more openings which may be changed in cross-section and penetrated by the heat radiation, so that correspondingly Cools peripheral wall in the first area.
  • the one or more openings which are to be designated as radiation windows, z. B. be covered with a mechanically adjustable shutter made of graphite, molybdenum or tungsten or other suitable refractory material to the extent desired.
  • a slightly overhanging phase boundary "solid to liquid" is produced by adjusting the temperature gradient, ie the crystallization growth boundary is perpendicular to the bottom wall extending section on the bottom side has a smaller distance to the Einkristallkeim than in the region of the surface of the melt.
  • a plurality of heating elements are arranged and controlled or regulated above the tub in such a way that a crystal growth front is formed, which extends parallel or convex to the first area with respect to the first area.
  • radiation shields can be arranged between the individual heating elements, which are preferably formed tiltable or pivotable.
  • the trough has a rectangular geometry in plan view, wherein on one of the inner sides of the rectangular geometry having trough a Einkristallkeim or more juxtaposed Einkristallkeime a length are arranged which at least 10, preferably at least 30, in particular at least 50, particularly preferably 100% the length of the inside corresponds.
  • the monocrystalline seed has a depth between 10 mm and 50 mm and a height which corresponds to the height of the molten material.
  • the temperature gradient is set such that forms a convexly extending crystal growth front with respect to the first region.
  • heating elements can be arranged between the tubs.
  • the trough is arranged inclined sloping in the direction of crystallization, wherein inclination angle ⁇ to the horizontal to in particular 5 ° ⁇ ⁇ 10 °, preferably 6 ° ⁇ ⁇ 7 °.
  • the heating and cooling elements assigned to the tub are controlled or regulated in such a way that two melting isotherms are formed, which pass successively from the one from the first area to the opposite side of the tub.
  • the first melting isotherm melts the raw material, and in a second isotherm, the molten raw material crystallizes into the single crystal.
  • the relevant possibility can be done via a continuous change in the heater power above a single or more movably mounted heater, which are located above the tub.
  • the temperature gradient is generated by controlling or regulating the temperature in the furnace, wherein the temperature gradient is preferably set to a value between 1 K / cm and 50 K / cm, in particular between 5 K / cm and 10 K / cm ,
  • An arrangement of the type mentioned above is characterized in that the trough is arranged stationarily and inclined sloping in the direction of crystallization in the furnace, that the peripheral wall in the first region is connected to a heat-dissipating device, and that by means of the at least one heating element is a horizontally extending Temperature gradient from the first region starting to a second region of the peripheral wall opposite the first region can be generated to produce the monocrystalline plate-shaped body.
  • a plurality of heating elements are arranged above the melt, wherein preferably tiltable or pivotable radiation shields are arranged between the heating elements.
  • the peripheral wall in the first area is connected to a heat-dissipating device and / or the trough to be surrounded, at least in sections, by an insulation with an optionally cross-sectionally variable opening, that of thermal radiation emanating from the first area is enforceable.
  • the oven itself, several trays may be arranged one above the other in the oven. Furthermore, there is the possibility that an adjustable or movable heating element is arranged above the melt. In particular, this makes it possible to form two melt isotherms in the trough, which pass through the trough in succession from the first region to the opposite second region.
  • the first melting isotherm is the single crystal growth front.
  • the other melting isotherm melts the material entered into the tub, ie the raw material.
  • the bottom wall is arranged inclined sloping to the horizontal in the direction of crystallization, wherein the inclination angle ⁇ to the horizontal is 5 ° ⁇ ⁇ 10 °, preferably 6 ° ⁇ ⁇ 7 °.
  • the invention also relates to a monocrystalline plate element in the form of a window made of sapphire, having a length L of 500 mm ⁇ L ⁇ 1000 mm and / or a width B of 500 mm ⁇ L ⁇ 1000 mm and / or a thickness D of 20 mm ⁇ D ⁇ 100 mm.
  • a monocrystalline plate element is produced which, for. B. can be used as a pane or window.
  • the solidified melt to the body has the desired thickness.
  • the body is formed by lateral crystallization through the horizontal temperature gradient.
  • 1a) is a longitudinal section through a schematic representation of an arrangement for the directional solidification of a monocrystalline plate-shaped body
  • 1 b shows a schematic diagram of a tray to be taken from FIG. 1 a) in perspective view
  • FIG. 1a) is a longitudinal section through a schematic representation of an arrangement for the directional solidification of a monocrystalline plate-shaped body
  • FIG. 6 shows a longitudinal section of a fifth embodiment of an arrangement according to the invention
  • FIG. 8 shows a longitudinal section through a further embodiment of an arrangement according to the invention.
  • the fiction, contemporary arrangement 10 has a melting furnace 12, in the interior 14 a flat tray 16 is arranged, which preferably has a rectangular geometry in plan view.
  • the interior 14 is surrounded by an insulation 18.
  • heating elements are arranged below and above the melting tank 16 and are identified by the reference numerals 20, 22, 24, 26 by way of example.
  • the trough 16 has a bottom wall 28 and a circumferential wall 30 which, due to the flat cuboid geometry of the trough 16, comprises four side walls 32, 34, 36, 38.
  • Fig. La The schematic representation of Fig. La) further conveys that between the heating elements 20, 22, 24, 26 radiation shields 40, 42 are arranged, which are optionally formed pivotable or tiltable.
  • the monocrystal nucleus can consist of several individual single crystals, which are lined up.
  • a Einkristallkeim only in a portion of the inner side 44 is arranged, as can be seen with reference to FIG. 7.
  • the corresponding monocrystalline seed is identified by the reference numeral 48.
  • a cooling device 52 is provided on the outer side 50 of the side wall 32 in order to temper the side wall 32 to the desired extent in the region of the single-crystal nucleus 46, whereby a temperature is set such that the single-crystal nucleus 46 only melts and does not completely melt.
  • the region in which the single-crystal seed 46 is arranged on the inner side 44 of the side wall 32 is referred to as the first region.
  • the opposite region of the trough 16, which is formed by the inner side 54 of the side wall 34, is referred to as the second region.
  • a further heating element 56 is provided along the outside of the side wall 34. Also, in the embodiment below and above the first region having side wall 32 heating elements 58, 60 are provided.
  • molten raw material 62 is located, that is to say in the production of sapphire A1 2 0 3 . Due to the temperature setting of the cooling element 52 and the heating elements 20, 22, 24, 26, 46, 48, 60, the single crystal nucleus 46 is melted, so that the melted region comes into contact with the melt 62 of the raw material located in the tub 16, Then, by subsequent control of at least the heating elements 20, 22, 24, 26, 56 to form a melting isotherm 64, which corresponds to the formed in the interior 14 by the heating elements 20, 22, 24, 26, 56 temperature gradient of the Einkristallkeim 46, ie the first region, up to the opposite side wall 34, that is, the second region is guided by the trough 16 to form the monocrystalline plate-shaped body.
  • the melting isotherm 64 that is, the monocrystal growth limit
  • the phase boundary between the monocrystalline plate 66 and the molten raw material 62 are indicated.
  • the single crystal growth front also referred to as the melt isotherm, travels from left to right in the drawing.
  • a further heating element 72 which can be adjusted above the trough 16 is provided in the arrangement to be taken from FIG. 8, which is adjustable in the direction of the double arrow 74 above the melt or the raw material , The melting of desired parts of the raw material 70 is achieved in particular by the method of the heating element 72. Otherwise, the arrangement of FIG. 8 is identical to that of FIG. 1 a).
  • Figs. 2a) to 2c) is in principle the operation of the fiction, contemporary arrangement shown in FIG. 1 can be seen.
  • Three different stages of crystallization are shown.
  • the seeding, melting of the seed crystal, in Fig. 2b), the stage is shown, in which half of the melt is crystallized, and in Fig. 2c), the crystallization process is shown in principle, in which the single crystal on the entire surface of the tub 16 has formed.
  • the phase boundary between single crystal and the melt are shown in FIGS. 2a), 2b) and 2c) denoted by the reference numeral 76, 78, 80.
  • phase boundary 76, 78, 80 in the bottom region of the trough 16 extends closer to the first region, that is to say the region of the side wall 32 on which the single-crystal seed has been arranged, than on the melt surface.
  • the phase boundary 76, 78, 80 that is to say the monocrystal growth limit, it is prevented that foreign-oriented germs grow from the bottom of the trough 16 upwards into the single crystal.
  • An essential feature of the invention is that, irrespective of the high temperatures for melting the raw material to be set in the interior 14, the plate-shaped monocrystal can directionally solidify that the first region, that is to say the region of the side wall 32 on which the monocrystalline seed 46 is arranged. is cooled to an extent that the Einkristallkeim 46 can not completely melt, but only melts.
  • the outside of the wall 32 can be connected to a cooling device 52, e.g. functionally works as a heat exchanger, e.g. flows through a liquid medium such as liquid gas, so there is the possibility according to FIG. 3, by heat dissipation, the side wall 32 and thus to cool the first region.
  • a cooling device 52 e.g. functionally works as a heat exchanger, e.g. flows through a liquid medium such as liquid gas, so there is the possibility according to FIG. 3, by heat dissipation, the side wall 32 and thus to cool the first region.
  • a good heat-conducting material such as graphite, molybdenum, tungsten or other refractory material good thermal conductivity emanates, which passes through the insulation 18 and z. B. is connected to the cooler outer wall 82 of the furnace 12.
  • another heat sink such as an active cooling device, may be used. In the region of the heat-dissipating element 82, the insulation 18 is interrupted.
  • the element 82 at least one heating element 86, preferably one surrounding the element 82 surrounding heating element 86, which may be formed, for example, as a resistance heating element made of graphite, molybdenum or tungsten or other suitable refractory material with sufficient electrical conductivity.
  • the heating element 86 the of the side wall 32nd flowing heat is affected, that is, the net heat flow is controlled or regulated by the heating element 86 to be designated as a counter heater.
  • the first area so the side wall 32 in the area in which the Einkristallkeim 46 is arranged to adjust in temperature
  • the controllable cooling is designed such that in the region of the first region, that is, the side wall 32, one or more openings 88 are in the insulation 18, so that heat from the side wall 32 can pass through the openings 88. It is possible to control the heat flow, that the openings 88 are closed with an adjusting element such as shutter 90 in the desired extent. But the shutter 90 is made of graphite, molybdenum, tungsten or other suitable refractory material.
  • FIG. 5 A further embodiment of an arrangement 100 according to the invention is shown in FIG. 5.
  • a plurality of wells 16 can be arranged one above the other in order to simultaneously grow a plurality of monocrystalline plates.
  • a temperature gradient education in the manner described above takes place.
  • 16 heating elements can be arranged according to the Fig. 6 between the individual wells, which are exemplified by the reference numeral 102, 104.
  • the monocrystal seed 48 is arranged only in a small area of the inside of the side wall 32, specifically in its center region.
  • a temperature field in the region of the wall 16 is formed such that in plan view the tub 16 melt isotherms are formed, which do not run parallel to the end wall 32 - this would be the case if the Einkristallkeim or the juxtaposed Einkristallkeime extend over the entire inner side 44 of the side wall 32 - - but with respect to the first region convex are curved. This ensures that the growing crystal 64 gradually increases its width and at the end the entire melt located in the tub 16 is monocrystalline solidified.
  • a melting tank 16 which is rectangular in plan view, is made of a suitable refractory and resistant material, in particular group VI. of the periodic table, in particular of tungsten or molybdenum used.
  • Tungsten foil is preferably used for this purpose, which is folded into the desired shape or otherwise shaped.
  • the modeled film is placed in a suitable shape of appropriate size, which consists of solid material, preferably also tungsten, and supports the film.
  • the thus formed melting tank 16 is positioned in the furnace 12 and it is on the side of the active or passive cooling of the seed crystal 46 z. B. inserted from sapphire. The active cooling takes place for example via a heat exchanger, the passive via heat radiation or convection.
  • the seed crystal 46 can be as wide as the melting tank 16, at least 10 mm deep and at least as high as the height of the melt after melting of the material to be melted.
  • the germ 46 may also be partially assembled from several pieces of lesser width. It can also, centered, a germ of lesser width are presented.
  • the rest of the melting tank is used in the case of Cultivation of sapphires with alumina raw material (pieces or powder) filled.
  • the crystallographic orientation of the seed corresponds to the orientation desired for the later plate.
  • the seed 46 is oriented upward in the [0001] direction, and in the growth direction in [11-20] or in the [10-10] direction.
  • the germs 46 may originate either from the described process according to the invention or from any other process for sapphire crystallization, but in particular from the Czochralski, EFG, HEM or Bagdasarov process and their related processes.
  • the melting furnace 12 is closed and evacuated.
  • the temperature is increased in a defined range of the melting furnace to a value above the melting point of sapphire (2053 ° C), whereas the seed 46 presented is not heated above this temperature.
  • the controllable cooling provides additional control of the shape, especially flatness of the melt isotherms, so that a surface germination is possible.
  • the set furnace atmosphere is vacuum or inert gas at a pressure between 200 mbar and 1100 mbar.
  • the process preferably takes place at 450 mbar to 900 mbar absolute under argon atmosphere.
  • the horizontal temperature gradient in the direction of crystallization at the level of the melting point is 1 K / cm to 50 K / cm, preferably 5 K / cm to 10 K / cm.
  • the adjustment of the correct absolute temperature so that the seed 46 is only fused, as well as the desired temperature gradient, should take place via at least two temperature measuring points on or near the seed or adjacent melt surface.
  • the measuring point which is closer to the melt on the nucleated seed, must reach a temperature in the range 2055 ° C to 2095 ° C, preferably in the range 2055 ° C to 2075 ° C. This ensures that this area of the germ has melted.
  • a second measuring point, which is located on the seed presented near the peripheral wall, must reach a temperature in the range 1955 ° C to 2035 ° C, preferably in the range 2005 ° C to 2035 ° C. This ensures that that the germ is not completely melted, and that the temperature gradient is close to the desired range.
  • the crystallization is subsequently initiated by controlled guidance of the present heating and cooling elements and driven forward in a controlled manner.
  • This is z. B. increases the active cooling at the beginning and so started the crystallization.
  • the power of the surrounding heaters is slowly lowered to promote directional advancement of the crystallization front.
  • An improved control of the melt isotherms can also be achieved by controlling the radiation shields 40, 42. In this case, the plates 40, 42 are tilted or moved so that the desired angle of inclination of the melt isotherms is formed.
  • the rate of crystallization to be set is 1 mm / h - 50 mm / h, preferably 5 mm / h - 20 mm / h.
  • the melting tank 16 may also be slightly tilted the germ side, so the first area sloping away.
  • the tilting to be set (tilt angle a) is 5 ° to 10 °, preferably 6 ° to 7 °.
  • tilt angle a is 5 ° to 10 °, preferably 6 ° to 7 °.
  • the corresponding temperature control with a molten zone migrating slowly from the germ side of the tub 16 to the opposite side 34 can be achieved, for example, by a single movably mounted heater 72 or by a power increase of the individual heaters 20 that migrates slowly from the germ side of the tub 16 to the opposite side 34. 22, 24, 26 take place.
  • Another alternative for achieving a stable melt level during the progressive crystallization is the continuous recharging of raw material into the melt to compensate for the density difference.

Abstract

Verfahren und Anordnung zur gerichteten Erstarrung eines einkristallinen plattenförmigen Körpers Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung und ein Verfahren zur gerichteten Erstarrung eines einkristallinen plattenförmigen Körpers aus einem in einer eine Umfangswandung (32, 34) und eine Bodenwandung (28) aufweisenden in einem Ofen (12) angeordneten Wanne aufgeschmolzenen Material, wobei innenseitig in einem ersten Bereich der Umfangswandung der Wanne zumindest ein Einkristallkeim (46) angeordnet und angeschmolzen wird, der angeschmolzene Bereich mit in der Wanne geschmolzenem Material in Berührung gelangt und sodann durch Temperatureinwirkung eine Kristallwachstumsfront gebildet wird, die von dem zumindest einen Einkristallkeim ausgehend zur gegenüberliegenden Seite der Umfangswandung als zweiten Bereich bewegt wird. Um mit konstruktiv einfachen Maßnahmen einkristalline plattenförmige Körper herzustellen, wird vorgeschlagen, dass die Wanne im Ofen stationär angeordnet wird, dass die Umfangswandung in dem den zumindest einen Einkristallkeim aufweisenden ersten Bereich kontrolliert gekühlt wird, und dass das Bewegen der Kristallwachstumsfront durch einen in dem Ofen horizontal verlaufenden Temperaturgradienten erzeugt wird.

Description

Verfahren und Anordnung zur gerichteten Erstarrung eines einkristallinen plattenförmigen Körpers
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur gerichteten Erstarrung eines einkristallinen Scheiben- oder plattenförmigen Körpers, insbesondere in Form eines scheibenförmigen Saphirs, aus einem in einer eine Umfangswandung und eine Bodenwandung aufweisenden in einem Ofen angeordneten Wanne aufgeschmolzenen Material, wobei innenseitig in einem ersten Bereich der Umfangswandung der Wanne zumindest ein Einkristallkeim angeordnet und angeschmolzen wird, der angeschmolzene Bereich mit in der Wanne geschmolzenem Material in Berührung gelangt und sodann durch Temperatureinwirkung eine Kristallwachstumsfront gebildet wird, die von dem zumindest einen Einkristallkeim ausgehend zur gegenüberliegenden Seite der Umfangswandung als zweiten Bereich bewegt wird.
Auch nimmt die Erfindung Bezug auf eine Anordnung zur gerichteten Erstarrung eines einkristallinen plattenförmigen Körpers aus einer Schmelze, insbesondere aus einer Al203-Schmelze, umfassend einen Ofen, zumindest eine horizontal ausgerichtete, die Schmelze aufnehmende, Umfangswandung und Bodenwandung aufweisende Wanne sowie zumindest ein in dem Ofen vorgesehenes Heizelement, wobei an einem ersten Bereich der Umfangswandung ein Einkristallkeim angeordnet wird.
Insbesondere betrifft die Erfindung großformatige Platten, die unter anderem als Fenster für Anwendungen im technischen, militärischen und zivilen Bereich dienen. Diese Platten sind typischerweise anforderungsgemäß sowohl im sichtbaren Spektralbereich als auch im nahen Infrarot transparent (200 nm - 5000 nm), weisen eine hohe mechanische Festigkeit, eine hohe Kratzfestigkeit und chemische Resistenz auf und sind bis zu hohen Temperaturen stabil. Dementsprechend wird für solche Platten typischerweise einkristalliner Saphir (A1203) eingesetzt. Beispiele sind J.W. Locher et al.: "Producing large EFG sapphire sheet for VIS-IR (500 nm - 5000 nm) window applications" Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 5786 (2005) 147-153; US-A-4,303,465, "Method of growing monocrystals of corundum from a melt"; US-RE43469E, "Single crystals and methods for fabricating same" zu entnehmen.
Für die Kristallisation des Saphirs wurden in der Vergangenheit verschiedenste Verfahren entwickelt und beschrieben, die auch heute noch zum Einsatz kommen. Hinsichtlich der weiteren Verarbeitung zu Platten und Fenstern sind zwei Gruppen von Kristallisationsverfahren zu unterscheiden: Einerseits die Kristallisation massiver Volumenkristalle, aus welchen nachfolgend die passenden Formate herausgesägt werden. Andererseits die Kristallisation von plattenförmigen Kristallen, deren Dicke bereits nahe am Endmaß ist und somit kein Sägen auf Zieldicke vor Schleifen und Polieren erforderlich macht. Eine Übersicht zu allen Verfahren geben z. B. E.R. Dobrovinskaya: "Sapphire - Material, Manufacturing, Applications" Springer, New York 2009, und M.S. Akselrod, F.L. Bruni:„Modern trends in crystal growth and new applications of sapphire", Journal of Crystal Growth 360 (2012) 134-145.
Zur ersten Gruppe gehören das Czochralski- Verfahren, das Kyropoulos-Verfahren, das HEM- Verfahren (Heat Exchange Method), das CHES-Verfahren (Combined Heat Exchanger Solidification) sowie das VHGF- Verfahren (Vertical Horizontal Gradient Freeze).
Bei allen diesen Verfahren werden Keimkristalle mit einem kleineren Durchmesser als der angestrebte Kristall von oben oder unten mit der in einem Tiegel befindlichen Saphirschmelze in Kontakt gebracht, und bei der nachfolgenden kontrollierten Kristallisation entsteht ein zylindrischer oder (seltener) quaderförmiger kristalliner Formkörper. Die Endform wird beim Czochralski- und teilweise auch beim Kyropoulos-Verfahren durch Regelung von Temperatur und Wachstumsgeschwindigkeit sowie durch Rotation des wachsenden Kristalls bestimmt, so dass sich ein makroskopisch zylinderförmiger Einkristall bildet.
In den anderen Fällen bildet sich mehr oder weniger die Tiegelform ab; typischerweise werden runde Tiegel verwendet. Nachteilig wirkt sich bei all diesen Verfahren die typischerweise runde Geometrie des Kristalls aus, aus der nur wenige große Platten bei gleichzeitig hohem Verschnitt gewonnen werden können.
Zur zweiten Gruppe gehören das EFG- Verfahren (Edge-defined film-fed growth, auch als Stepanov- Verfahren bezeichnet) sowie das Bagdasarov- Verfahren (auch HDS- oder HDC- Verfahren, für Horizontal Directional Solidification bzw. Crystallization). Beim EFG- bzw. Stepanov- Verfahren wird die Plattenform des Kristalls dadurch erreicht, dass die Schmelze durch einen Kapillarspalt tritt, dessen Abschluss die Form bestimmt. Auch hier wird die durch den Spalt tretende Schmelze mit einem Keimkristall in Kontakt gebracht, welcher eine viel kleinere Breite hat als die spätere Breite der Platte. Das Verfahren ist z. B. in Dobrovinskaja 1999 beschrieben. Die Herstellung speziell großer Platten mit diesem Verfahren ist der US-RE43469E zu entnehmen.
Beim Bagdasarov- bzw. HDS- oder HDC- Verfahren dagegen befindet sich die Schmelze in einem flachen, wannenförmigen Tiegel, welcher sich typischerweise zu einer Seite hin horizontal verjüngt. An der Spitze der Verjüngung sitzt ein Keimkristall mit einem viel kleineren Format als die Breite der Schmelzwanne; hier startet die Kristallisation. Um die Kristallisation voranzutreiben wird die gesamte Schmelzwanne in Keimrichtung durch einen Temperaturgradienten weggezogen. Hierbei schmilzt der vorgelegte Rohstoff nicht gleich komplett, sondern nach und nach. Auf der einen Seite der heißesten Zone erfolgt die Kristallisation, auf der anderen das Aufschmelzen des nachrutschenden Rohstoffs. Durch die flache Tiegelform wird ein endmaßnaher Formkörper erreicht.
Das Bagdasarov- bzw. HDS- oder HDC- Verfahren ist im Detail bei E.R. Dobrovinskaya: "Sapphire - Material, Manufacturing, Applications" Springer, New York 2009, beschrieben. Auch ist das Verfahren der US 4,303,465 A zu entnehmen.
Die möglichen Größen der Platten bzw. Fenster sind für alle diese Verfahren aus physikalisch-technologischen oder auch aus wirtschaftlichen Gründen begrenzt. Bei den massiven Volumenkristallen der ersten Gruppe steigen mit einer Volumen Vergrößerung die thermischen Spannungen während Kristallisation und Abkühlen stark an, was einerseits ab einem bestimmten Grad das einkristalline Wachstum zunichtemacht, andererseits die erforderlichen Wachstumsgeschwindigkeiten stark herabsetzt bzw. die Prozesszeiten stark erhöht und damit die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zunichtemacht. Saphirkristalle aus dem Czochralski-Prozess erreichen Durchmesser von maximal ca. 150 mm, beim Kyropoulos-Prozess sind es maximal ca. 300 mm, und bei den anderen Verfahren maximal ca. 400 mm. Bei den im Text zuvor diskutierten bisherigen Verfahren der zweiten Gruppe gibt es ähnliche Beschränkungen: beim EFG- bzw. Stepanov- Verfahren begrenzt die erforderliche Einstellung einer ausreichend homogenen Temperatur entlang des Formgebers die mögliche Breite auf derzeit ca. 400 mm. Hinzu kommt das Problem, dass der anfängliche Kristallbereich vom kleinen Keim bis zur Erreichung der vollen Breite bei (anlagengrößenbedingter) maximalen Gesamtlänge anteilig immer größer wird, was früher oder später den Prozess unwirtschaftlich macht. Ähnlich stellt sich dieses Problem für das heute typische Vorgehen im Bagdasarov- bzw. HDS- oder HDC-Verfahren dar: je kleiner der Keimkristall, desto größer ist der anfängliche Konus und umso unwirtschaftlicher wird das Verfahren. Die Verwendung kleiner einkristalliner Keime im Gegensatz zu großen Einkristallen, die einen kürzeren Konus oder ggf. auch ein vollflächiges Ankeimen über die gesamte Kristallbreite ermöglichen würden, ergibt sich aus der Schwierigkeit, einen ausreichend großen Bereich homogener Temperatur ohne Temperaturfluktuationen sicher und reproduzierbar zu gewährleisten. Dieses könnte nur durch eine aktive, geregelte Kühlung im Keimbereich gesichert werden, wie sie z.B. aus dem HEM- oder VHGF- Verfahren bekannt ist. Eine solche Kühlung ist aber im Bagdasarov- bzw. HDS- oder HDC-Verfahren nicht vorgesehen und kann aufgrund des beweglich gelagerten Tiegels auch nicht ohne erheblichen technischen Aufwand realisiert werden.
Die DE 10 2009 044 893 AI bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kristallkörpers aus einem Halbleitermaterial. Dabei soll der hergestellte Kristallkörper zu Halbleiterwafern vereinzelt und zu Halbleitr-Chips oder Solarzellen weiterverarbeitet werden. Der Kristallkörper wird in Form quaderförmiger Säulen hergestellt. Hierzu erstarrt eine Schmelze in zwei senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen. Gegenstand der EP 2 474 651 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Saphir- Einkristalls. Hierzu wird eine Schmelze im Bodenbereich mit einem Keimkristall in Kontakt gebracht, um einen quaderförmigen kristallinen Formkörper entstehen zu lassen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass mit konstruktiv einfachen Maßnahmen einkristalline Scheiben- bzw. plattenförmige Körper, insbesondere aus Saphir bestehende Fenster reproduzierbar herstellbar sind, wobei aufwendige Mechaniken vermieden werden sollen.
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass sichergestellt wird, dass der zur Kristallisation der Schmelze verwendete Einkristallkeim kontrolliert schmilzt.
Auch ist nach einem weiteren Aspekt sicherzustellen, dass das Einwachsen fremdorientierter Keime in den plattenförmigen Körper unterbunden wird.
Zur Lösung zumindest eines der Aspekte sieht die Erfindung vor, dass die Wanne in dem Ofen stationär und geneigt abfallend in Kristallisationsrichtung angeordnet wird, dass Höhe des zumindest einen Einkristallkeims zumindest Höhe des in der Wanne aufzuschmelzenden Materials nach dessen Schmelzen entspricht, dass die Umfangswandung in dem den zumindest einen Einkristallkeim aufweisenden ersten Bereich kontrolliert gekühlt wird und dass das Bewegen der Kristallwachstumsfront zur Erzeugung des Scheiben- oder plattenförmigen Körpers durch einen in dem Ofen horizontal verlaufenden Temperaturgradienten erzeugt wird.
Abweichend von insbesondere dem Bagdasarov- Verfahren wird zur gerichteten Erstarrung des plattenförmigen Körpers keine durch eine Heizzone zu bewegende Wanne benötigt, wodurch anordnungsmäßig ein großvolumiger Ofen benötigt wird, dessen innere Bodenfläche zumindest doppelt so lang wie die Länge der die Schmelze aufnehmenden Wanne ist. Demgegenüber kann erfindungsgemäß dem Grunde nach ein einkristalliner plattenförmiger Körper einer Fläche gerichtet erstarrt werden, deren Größe im Wesentlichen durch die Dimensionierung des Schmelzofens begrenzt ist.
Es wird ein platten- oder scheibenförmiger Körper durch einen einzige gerichtete Erstarrung in horizontaler Richtung erzeugt.
Dadurch, dass die Wanne, in der der Körper durch einen ausschließlich horizontal verlaufenden Temperaturgradienten gerichtet erstarrt, in dem Bereich kontrolliert gekühlt wird, in dem der Einkristallkeim angeordnet wird, kann ein gezieltes Anschmelzen des Einkristallkeims erfolgen, so dass sichergestellt werden kann, dass der Einkristallkeim nicht aufgeschmolzen, sondern nur in einem Umfang angeschmolzen wird, dass die erforderliche Keimbildung für das in der Wanne aufgeschmolzene Material erfolgen kann.
Ferner kann gezielt der Temperaturgradient entlang der Wanne erzeugt werden, um die Kristallisationswachstumsfront, also die Schmelzisotherme im gewünschten Umfang auszubilden und in Kristallisationsrichtung zu führen.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der erste Bereich durch Kontakt mit einem Wärmeableitelement oder mittels eines Kühlfluids oder durch Wärmeab Strahlung gekühlt wird, die zumindest eine gegebenenfalls querschnittsmäßig veränderbare Durchbrechung einer die Wanne zumindest bereichsweise umgebenden Isolierung durchsetzt.
So besteht die Möglichkeit, die Außenseite der Umfangswandung in dem Bereich, in dem der Einkristallkeim angeordnet wird, mit z. B. einem aktiven Kühlelement - quasi einem Wärmetauscher - zu kontaktieren, um z. B. durch das Kühlelement fließendes Kühlfluid, bei dem es sich insbesondere um verflüssigtes Gas handelt, im erforderlichen Umfang zu kühlen, so dass ein vollständiges Aufschmelzen des Einkristallkeims unterbunden wird. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Außenseite mit einem wärmeleitenden Element, z. B. aus Graphit, Molybdän oder Wolfram oder einem anderen hochschmelzenden Material guter Wärmeleitung zu verbinden, das seinerseits mit der innenseitig von einer Isolierung abgedeckten Wandung des Schmelzofens, also mit einem Bereich geringer Temperatur, oder einem anderen aktiven Kühlelement wie Wärmetauscherelement verbunden wird. Dabei besteht auch die Möglichkeit, um das wärmeableitende Element ein Heizelement anzuordnen, um den Nettowärmeabfluss zu regeln. Durch das Heizelement, bei dem es sich z. B. um ein Widerstandselement aus Graphit, Molybdän oder Wolfram oder einem anderen geeigneten hochschmelzenden Material mit ausreichender elektrischer Leitfähigkeit handelt, wird der abfließenden Wärme entgegengeheizt, um die Temperatur in dem ersten Bereich, in dem sich der Einkristallkeim befindet, insbesondere zu regeln.
Eine weitere Möglichkeit zur Temperatureinstellung des ersten Bereichs besteht darin, dass eine den die Wanne aufnehmenden Innenraum des Ofens umgebende Isolierung im Bereich des ersten Bereichs eine oder mehrere gegebenenfalls querschnittsmäßig veränderbare Öffnungen aufweist, die von der Wärmestrahlung durchsetzt wird bzw. werden, so dass entsprechend die Umfangswandung im ersten Bereich abkühlt.
Die eine bzw. mehrere Öffnungen, die als Strahlungsfenster zu bezeichnen sind, können z. B. mit einem mechanisch verstellbaren Shutter aus Graphit, Molybdän oder Wolfram oder einem anderen geeigneten hochschmelzenden Material im gewünschten Umfang abgedeckt werden.
Um zu verhindern, dass fremdorientierte Keime vom Boden der Wanne nach oben in den einkristallinen Körper einwachsen, ist insbesondere vorgesehen, dass eine leicht überhängende Phasengrenze „fest zu flüssig" durch Einstellung des Temperaturgradienten erzeugt wird, d.h., dass die Kristallisationswachstumsgrenze in einem senkrecht zur Bodenwandung verlaufenden Schnitt bodenseitig einen geringeren Abstand zu dem Einkristallkeim als im Bereich der Oberfläche der Schmelze aufweist. In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere Heizelemente oberhalb der Wanne derart angeordnet und gesteuert oder geregelt werden, dass sich eine Kristallwachstumsfront ausbildet, die in Bezug auf den ersten Bereich parallel oder konvex zu diesem verläuft. Dabei können zwischen den einzelnen Heizelementen Strahlungs schilder angeordnet sein, die vorzugsweise kipp- bzw. schwenkbar ausgebildet sind.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Wanne in Draufsicht ein Rechteckgeometrie aufweist, wobei an einer der Innenseiten der die Rechteckgeometrie aufweisenden Wanne ein Einkristallkeim oder mehrere aneinandergereihte Einkristallkeime einer Länge angeordnet werden, die zumindest 10 , vorzugsweise zumindest 30 , insbesondere zumindest 50 , besonders bevorzugt 100 % der Länge der Innenseite entspricht.
Unabhängig hiervon ist insbesondere vorgesehen, dass der Einkristallkeim eine Tiefe zwischen 10 mm und 50 mm und eine Höhe aufweist, die der Höhe des aufgeschmolzenen Materials entspricht.
Insbesondere dann, wenn sich der Einkristallkeim bzw. die mehreren aneinandergereihten Einkristallkeime nicht über die gesamte Länge einer Innenseite erstrecken, wird der Temperaturgradient derart eingestellt, dass sich eine in Bezug auf den ersten Bereich konvex verlaufende Kristallwachstumsfront bildet.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Ofen mehrere Wannen übereinander angeordnet werden. Dabei können zwischen den Wannen jeweils Heizelemente angeordnet werden.
Um die Dichteunterschiede zwischen Kristall und Schmelze zu kompensieren, um plattenförmige Körper gleichmäßiger Dicke zu erzielen, ist des Weiteren vorgesehen, dass die Wanne geneigt abfallend in Kristallisationsrichtung angeordnet wird, wobei Neigungswinkel α zur Horizontalen auf insbesondere 5° < α < 10°, vorzugsweise 6° < α < 7°, eingestellt wird. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass die der Wanne zugeordneten Heiz- und Kühlelemente derart gesteuert bzw. geregelt werden, dass sich zwei Schmelzisotherme bilden, die nacheinander von der von dem ersten Bereich ausgehend zur gegenüberliegenden Seite der Wanne diese durchlaufen. Die erste Schmelzisotherme schmilzt den Rohstoff und in einer zweiten Isotherme kristallisiert der geschmolzene Rohstoff zu dem Einkristall. Die diesbezügliche Möglichkeit kann über eine kontinuierliche Änderung der Heizerleistung ober über einen einzelnen oder mehrere beweglich gelagerte Heizer erfolgen, die oberhalb der Wanne angeordnet sind.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der Temperaturgradient durch Steuern oder Regeln der Temperatur in dem Ofen erzeugt wird, wobei der Temperaturgradient vorzugsweise auf einem Wert zwischen 1 K/cm und 50 K/cm, insbesondere zwischen 5 K/cm und 10 K/cm eingestellt wird.
Eine Anordnung der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass die Wanne stationär und geneigt abfallend in Kristallisationsrichtung in dem Ofen angeordnet ist, dass die Umfangswandung in dem ersten Bereich mit einer wärmeableitenden Einrichtung verbunden ist, und dass mittels des zumindest einen Heizelements ein horizontal verlaufender Temperaturgradient von dem ersten Bereich ausgehend bis zu einem zu dem ersten Bereich gegenüberliegenden zweiten Bereich der Umfangswandung zur Erzeugung des einkristallinen plattenförmigen Körpers erzeugbar ist. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass oberhalb der Schmelze mehrere Heizelemente angeordnet sind, wobei vorzugsweise zwischen den Heizelementen vorzugsweise kipp- bzw. verschwenkbare Strahlungsschilder angeordnet sind.
Zur gezielten Temperatureinstellung des ersten Bereichs ist insbesondere vorgesehen, dass die Umfangswandung in dem ersten Bereich mit einer wärmeableitenden Einrichtung verbunden ist und/oder die Wanne zumindest abschnittsweise von einer Isolierung mit einer gegebenenfalls querschnittsmäßig veränderbaren Öffnung umgeben ist, die von von dem ersten Bereich ausgehender Wärmestrahlung durchsetzbar ist.
In dem Ofen selbst können mehrere Wannen übereinander in dem Ofen angeordnet sein. Ferner besteht die Möglichkeit, dass oberhalb der Schmelze ein verstell- bzw. -fahrbares Heizelement angeordnet ist. Hierdurch besteht insbesondere die Möglichkeit, in der Wanne zwei Schmelzisothermen auszubilden, die die Wanne nacheinander von dem ersten Bereich zum gegenüberliegenden zweiten Bereich durchlaufen. Dabei ist die erste Schmelzisotherme die Einkristallwachstumsfront. Die andere Schmelzisotherme schmilzt das in die Wanne eingegebene Material, also den Rohstoff.
Die Bodenwandung ist zur Horizontalen in Richtung der Kristallisationsrichtung geneigt abfallend angeordnet, wobei der Neigungswinkel α zur Horizontalen beträgt 5° < α < 10°, vorzugweise 6° < α < 7°.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein einkristallines Plattenelement in Form eines aus Saphir bestehenden Fensters, mit einer Länge L mit 500 mm < L < 1000 mm und/oder einer Breite B mit 500 mm < L < 1000 mm und/oder einer Dicke D mit 20 mm < D < 100 mm.
Erfindungsgemäß wird ein einkristallines Plattenelement erzeugt, das z. B. als Scheibe bzw. Fenster verwendet werden kann. Die zu dem Körper erstarrte Schmelze weist die gewünschte Dicke auf. Der Körper wird durch laterale Kristallisation durch den horizontal verlaufenden Temperaturgradienten gebildet.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Fig. la) einen Längsschnitt durch eine Prinzipdarstellung einer Anordnung zur gerichteten Erstarrung eines einkristallinen plattenförmigen Körpers, Fig. lb) eine Prinzipdarstellung einer der Fig. la) zu entnehmenden Wanne in perspektivischer Darstellung,
Fig. 2a) - 2c) Prinzipdarstellungen eines erfindungsgemäßen Erstarrungsprozesses,
Fig. 3 einen Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 4 einen Ausschnitt einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 6 einen Längsschnitt einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 7 eine Prinzipdarstellung von Verläufen einer
Kristallisationswachstumsfront und
Fig. 8 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung.
In den Figuren, in denen grundsätzlich für gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet werden, sind Ausführungsformen von Anordnungen dargestellt, mittels der ein einkristalliner plattenförmiger Körper aus einer Schmelze gerichtet erstarrt wird, wobei die gerichtet erstarrten Kristallkörper Längen zwischen 500 mm und 1000 mm und Breiten zwischen 500 mm und 1000 mm und Dicken zwischen 10 mm und 100 mm aufweisen können, ohne dass diese Zahlen schutzeinschränkend zu verstehen sind. Insbesondere ist die Anordnung dazu bestimmt, einen einkristallinen Saphir (AI2O3) gerichtet erstarren zu lassen, der z. B. als Fenster eingesetzt werden kann. Anwendungsbeispiele sind J.W. Locher et al.: "Producing large EFG sapphire sheet for VIS-IR (500 - 5000 nm) window applications" Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 5786 (2005) 147-153; US-A-4,303,465, "Method of growing monocrystals of corundum from a melt"; US-RE43469E, "Single crystals and methods for fabricating same" und E.R. Dobrovinskaya: "Sapphire - Material, Manufacturing, Applications" Springer, New York 2009, zu entnehmen. Dabei bietet die erfindungsgemäße Anordnung die Möglichkeit, einen Einkristall gerichtet erstarren zu lassen, dessen flächige Erstreckung im Wesentlichen nur von der Grundfläche des Innenraums eines Schmelzofens abhängig ist, in dem der Kristall gerichtet erstarrt. Die Höhe des erstarrten Einkristalls ist sodann die Dicke des platten- oder scheibenförmigen Körpers. Durch einen horizontal verlaufenden Temperaturgradienten erfolgt eine einzige gerichtete laterale Erstarrung.
Wie der Prinzipdarstellung nach Fig. la) zu entnehmen ist, weist die erfindungs gemäße Anordnung 10 einen Schmelzofen 12 auf, in dessen Innenraum 14 eine flache Wanne 16 angeordnet ist, die in Draufsicht vorzugsweise eine Rechteckgeometrie aufweist. Der Innenraum 14 ist von einer Isolierung 18 umgeben. Im Ausführungsbeispiel der Fig. la) sind unter- und oberhalb der Schmelzwanne 16 Heizelemente angeordnet, die beispielhaft mit den Bezugszeichen 20, 22, 24, 26 gekennzeichnet sind.
Wie den Fig. la), lb) zu entnehmen ist, weist die Wanne 16 eine Bodenwandung 28 sowie eine Umfangswandung 30 auf, die aufgrund der Flachquadergeometrie der Wanne 16 vier Seitenwandungen 32, 34, 36, 38 umfasst.
Die Prinzipdarstellung der Fig. la) vermittelt des Weiteren, dass zwischen den Heizelementen 20, 22, 24, 26 Strahlungsschilder 40, 42 angeordnet sind, die gegebenenfalls schwenk- bzw. kippbar ausgebildet sind.
Im Ausführungsbeispiel erstreckt sich entlang der Innenseite 44 der in der Darstellung linken Seitenwandung 32 ein Einkristallkeim 46, der sich im Ausführungsbeispiel über die gesamte Innenseite 44 erstreckt. Dabei kann der Einkristallkeim aus mehreren einzelnen Einkristallen bestehen, die aneinandergereiht sind. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass nur in einem Teilbereich der Innenseite 44 ein Einkristallkeim angeordnet wird, wie dies anhand der Fig. 7 ersichtlich ist. Der entsprechende Einkristallkeim ist mit dem Bezugszeichen 48 gekennzeichnet.
Ferner findet sich entsprechend der Darstellung in Fig. la) an der Außenseite 50 der Seitenwandung 32 eine Kühleinrichtung 52, um die Seitenwandung 32 im Bereich des Einkristallkeims 46 in gewünschtem Umfang zu temperieren, wobei eine Temperatur eingestellt wird derart, dass der Einkristallkeim 46 nur anschmilzt und nicht vollständig aufschmilzt.
Der Bereich, in dem der Einkristallkeim 46 an der Innenseite 44 der Seitenwandung 32 angeordnet ist, wird als erster Bereich bezeichnet. Der gegenüberliegende Bereich der Wanne 16, der durch die Innenseite 54 der Seitenwandung 34 gebildet wird, wird als zweiter Bereich bezeichnet.
Aus der zeichnerischen Darstellung erkennt man des Weiteren, dass entlang der Außenseite der Seitenwandung 34 ein weiteres Heizelement 56 vorgesehen ist. Auch sind im Ausführungsbeispiel unter- und oberhalb der den ersten Bereich aufweisenden Seitenwandung 32 Heizelemente 58, 60 vorgesehen.
In der Wanne 16 befindet sich im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 geschmolzenes Rohmaterial 62, also bei der Herstellung von Saphir A1203. Durch die temperaturmäßige Einstellung des Kühlelements 52 sowie der Heizelemente 20, 22, 24, 26, 46, 48, 60 erfolgt ein Anschmelzen des Einkristallkeims 46, so dass der angeschmolzene Bereich mit der in der Wanne 16 befindlichen Schmelze 62 des Rohmaterials in Kontakt gelangt, um sodann durch nachfolgende Regelung zumindest der Heizelemente 20, 22, 24, 26, 56 eine Schmelzisotherme 64 zu bilden, die entsprechend des in dem Innenraum 14 durch die Heizelemente 20, 22, 24, 26, 56 ausgebildeten Temperaturgradienten von dem Einkristallkeim 46, also dem ersten Bereich, bis zu der gegenüberliegenden Seitenwandung 34, also dem zweiten Bereich durch die Wanne 16 geführt wird, um den einkristallinen plattenförmigen Körper zu bilden. In der zeichnerischen Darstellung soll die Schmelzisotherme 64, also die Einkristallwachstumsgrenze, die Phasengrenze zwischen der einkristallinen Platte 66 und dem geschmolzenen Rohmaterial 62 angedeutet werden. Erwähntermaßen wandert die Einkristallwachstumsfront, die auch als Schmelzisotherme zu bezeichnen ist, in der Zeichnung von links nach rechts.
Es besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, dass zu Beginn des Kristallisationsprozesses nur ein Teil des Rohmaterials aufgeschmolzen ist, und zwar in dem Bereich der Wanne 16, der an den ersten Bereich angrenzt. Sofern nur ein Teil des Rohmaterials aufgeschmolzen wird, werden nach dem Anschmelzen, aber nicht Aufschmelzen des Keimkristalls 46 die Heiz- und Kühlelemente derart geregelt, dass zwei Schmelzisotherme die Wanne 16 nacheinander von der Keimseite zur gegenüberliegenden Seitenwandung 34 der Wanne 16 durchlaufen. Dies wird prinzipiell anhand der Fig. 8 verdeutlicht. An der ersten Schmelzisotherme 64 kristallisiert der geschmolzene Rohstoff (Bezugszeichen 62). An der zweiten Isotherme 68 wird der Rohstoff geschmolzen. Der Bereich, in dem der Rohstoff in ungeschmolzenem Zustand vorliegt, ist mit 70 gekennzeichnet.
Ergänzend zu dem Ausführungsbeispiel der Fig. la) ist bei der der Fig. 8 zu entnehmenden Anordnung neben den zuvor beschriebenen Heizelementen ein weiteres oberhalb der Wanne 16 verstellbares Heizelement 72 vorgesehen, das über der Schmelze bzw. dem Rohstoff in Richtung des Doppelpfeils 74 verstellbar ist. Das Aufschmelzen gewünschter Teile des Rohmaterials 70 wird insbesondere über das Verfahren des Heizelements 72 erreicht. Ansonsten stimmt die Anordnung der Fig. 8 mit der der Fig. la) zu entnehmenden überein.
Den Fig. 2a) bis 2c) ist prinzipiell die Wirkungsweise der erfindungs gemäßen Anordnung gemäß Fig. 1 zu entnehmen. Dabei sind drei verschiedene Stadien der Kristallisation wiedergegeben. In Fig. 2a) ist das Ankeimen, Anschmelzen des Keimkristalls, in Fig. 2b) das Stadium dargestellt, in dem die Hälfte der Schmelze kristallisiert ist, und in Fig. 2c) ist der Kristallisationsprozess prinzipiell wiedergegeben, in dem der Einkristall sich über die gesamte Fläche der Wanne 16 gebildet hat. Die Phasengrenze zwischen Einkristall und der Schmelze sind in den Fig. 2a), 2b) und 2c) mit dem Bezugszeichen 76, 78, 80 gekennzeichnet. Dabei verläuft die Phasengrenze 76, 78, 80 im Bodenbereich der Wanne 16 näher zum ersten Bereich, also dem Bereich der Seitenwandung 32, an dem der Einkristallkeim angeordnet worden ist, als an der Schmelzoberfläche. Durch diesen Verlauf der Phasengrenze 76, 78, 80, also der Einkristallwachstumsgrenze, wird verhindert, dass fremdorientierte Keime vom Boden der Wanne 16 ausgehend nach oben in den Einkristall einwachsen.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, damit - ungeachtet der in dem Innenraum 14 einzustellenden hohen Temperaturen zum Schmelzen des Rohstoffs - der plattenföraiige Einkristall gerichtet erstarren kann, dass der erste Bereich, also der Bereich der Seitenwandung 32, an dem der Einkristallkeim 46 angeordnet wird, in einem Umfang gekühlt wird, dass der Einkristallkeim 46 nicht vollständig aufschmelzen kann, sondern nur anschmilzt.
Kann entsprechend der Darstellung der Fig. la die Außenseite der Wandung 32 mit einer Kühleinrichtung 52 verbunden werden, die z.B. funktionell als Wärmetauscher arbeitet, also z.B. von einem flüssigen Medium wie flüssigem Gas durchströmt wird, so besteht nach der Fig. 3 die Möglichkeit, durch Wärmeableitung die Seitenwandung 32 und damit den ersten Bereich zu kühlen.
Hierzu ist vorgesehen, dass von der Außenseite 50 der Seitenwandung 32 ein gut wärmeleitendes Material z.B. aus Graphit, Molybdän, Wolfram oder ein anderes hochschmelzendes Material guter Wärmeleitung ausgeht, die die Isolierung 18 durchsetzt und z. B. mit der kühleren Außenwandung 82 des Ofens 12 verbunden ist. Anstelle der Wärmeabfuhr über die Wandung 84 kann eine andere Wärmesenke wie aktive Kühleinrichtung benutzt werden. In dem Bereich des wärmeableitenden Elements 82 ist die Isolierung 18 unterbrochen. Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass dem Element 82 zumindest ein Heizelement 86, vorzugsweise ein das Element 82 umfangsseitig umgebendes Heizelement 86 zugeordnet wird, das z.B. als Widerstandsheizelement aus Graphit, Molybdän oder Wolfram oder einem anderen geeigneten hochschmelzenden Material mit ausreichender elektrischer Leitfähigkeit ausgebildet sein kann. Durch das Heizelement 86 kann die von der Seitenwandung 32 abfließende Wärme beeinfhisst werden, d. h., der Nettowärmeabfluss wird gesteuert bzw. geregelt, und zwar durch das als Gegenheizung zu bezeichnende Heizelement 86.
Eine weitere Möglichkeit, den ersten Bereich, also die Seitenwandung 32 in dem Bereich, in dem der Einkristallkeim 46 angeordnet wird, temperaturmäßig einzustellen, ist der Fig. 4 zu entnehmen. Die regelbare Kühlung ist dabei derart ausgeführt, dass sich im Bereich des ersten Bereichs, also der Seitenwandung 32, eine oder mehrere Öffnungen 88 in der Isolierung 18 befinden, so dass Wärme von der Seitenwandung 32 die Öffnungen 88 durchsetzen kann. Dabei besteht die Möglichkeit, um den Wärmeabfluss zu regeln, dass die Öffnungen 88 mit einem Verstellelement wie Shutter 90 im gewünschten Umfang verschließbar sind. Der Shutter 90 besteht aber aus Graphit, Molybdän, Wolfram oder einem anderen geeigneten hochschmelzenden Material.
Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 100 ergibt sich aus der Fig. 5. So können in dem Innenraum 14 des Ofens 12 mehrere Wannen 16 übereinander angeordnet werden, um gleichzeitig mehrere einkristalline Platten zu züchten. Dabei erfolgt eine Temperaturgradientenausbildung in zuvor beschriebener Art. Auch können entsprechend der Fig. 6 zwischen den einzelnen Wannen 16 Heizelemente angeordnet werden, die beispielhaft mit dem Bezugszeichen 102, 104 gekennzeichnet sind.
Bezüglich der Möglichkeit der Kühlung des ersten Bereichs, also in den Ausführungsbeispielen der Stirnwandungen 32 der Wannen 16, wird auf die zuvor erfolgten Ausführungen verwiesen.
Wie bereits erwähnt, sind zwar vorzugsweise entlang der gesamten Innenseite der Seitenwandung 32 der Wanne 16 ein Einkristallkeim oder mehrere aneinandergereihte Einkristallkeime angeordnet, ohne dass hierdurch die Erfindung beschränkt wird. So ist entsprechend der Darstellung der Fig. 7 nur in einem kleinen Bereich der Innenseite der Seitenwandung 32 der Einkristallkeim 48 angeordnet, und zwar in dessen Mittenbereich. Bei einer diesbezüglichen Anordnung des Einkristallkeims 48 wird ein Temperaturfeld im Bereich der Wandung 16 derart ausgebildet, dass in Draufsicht auf die Wanne 16 Schmelzisotherme gebildet werden, die nicht parallel zu der Stirnwandung 32 verlaufen - dies wäre dann der Fall, wenn der Einkristallkeim bzw. die aneinandergereihten Einkristallkeime sich über die gesamte Innenseite 44 der Seitenwandung 32 verlaufen -, sondern in Bezug auf den ersten Bereich konvex gekrümmt sind. Hierdurch wird erreicht, dass der wachsende Kristall 64 seine Breite allmählich vergrößert und am Ende die gesamte sich in der Wanne 16 befindliche Schmelze einkristallin erstarrt ist.
Zur Verwirklichung des erfindungs gemäßen Verfahrens wird vorzugsweise eine in Draufsicht rechteckige Schmelzwanne 16 aus einem geeigneten hochschmelzenden und resistenten Material insbesondere der Gruppe VI. des Periodensystems, insbesondere aus Wolfram oder Molybdän verwendet.
Bevorzugt kommt hierfür Wolframfolie zum Einsatz, welche in die gewünschte Form gefaltet oder auf andere Weise in Form gebracht wird. Die modellierte Folie wird in eine passende Form entsprechender Größe gelegt, welche aus massivem Material, bevorzugt ebenfalls Wolfram, besteht, und die Folie stützt. Die so geformte Schmelzwanne 16 wird im Schmelzofen 12 positioniert und es wird auf der Seite der aktiven oder passiven Kühlung der Keimkristall 46 z. B. aus Saphir eingelegt. Die aktive Kühlung erfolgt zum Beispiel über einen Wärmetauscher, die passive über Wärmeabstrahlung oder Konvektion.
Nachstehend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand der gerichteten Erstarrung einer Saphirplatte beschrieben, ohne dass hierdurch eine Einschränkung der erfindungsgemäßen Lehre erfolgen soll. Vielmehr kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur gerichteten Erstarrung anderer Einkristalle verwendet werden.
Der Keimkristall 46 kann so breit sein wie die Schmelzwanne 16, mindestens 10 mm tief und mindestens so hoch wie die Höhe der Schmelze nach Aufschmelzen des aufzuschmelzenden Materials. Der Keim 46 kann auch abschnittsweise aus mehreren Stücken geringerer Breite zusammengelegt werden. Es kann auch, zentriert, ein Keim geringerer Breite vorgelegt werden. Der Rest der Schmelzwanne wird im Fall des Züchtens von Saphiren mit Aluminiumoxidrohstoff (Stücke oder Pulver) angefüllt. Die kristallographische Orientierung des Keims entspricht der für die spätere Platte gewünschten Orientierung. Bevorzugt ist der Keim 46 nach oben in [0001] -Richtung orientiert, und in Wachtumsrichtung in [11-20] oder in [10- 10] -Richtung. Die Keime 46 können dabei sowohl aus dem beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren stammen oder aber aus jedem anderen Verfahren zur Saphirkristallisation, insbesondere aber aus dem Czochralski-, EFG-, HEM- oder Bagdasarov- Verfahren und den ihnen verwandten Verfahren.
Anschließend wird der Schmelzofen 12 geschlossen und evakuiert. Die Temperatur wird in einem definierten Bereich der Schmelzwanne auf einen Wert über dem Schmelzpunkt von Saphir (2053 °C) erhöht, wobei hingegen der vorgelegte Keim 46 nicht über diese Temperatur erwärmt wird. Hierbei sorgt die steuerbare Kühlung für die zusätzliche Kontrolle der Form, speziell Ebenheit der Schmelzisothermen, sodass ein flächiges Ankeimen möglich wird. Die eingestellte Ofenatmosphäre ist Vakuum oder Inertgas bei einem Druck zwischen 200 mbar und 1100 mbar. Bevorzugt erfolgt der Prozess bei 450 mbar bis 900 mbar absolut unter Argon-Atmosphäre. Am Ende des Aufschmelzens ist der gesamte oder ein Teil des vorgelegten Rohstoffs aufgeschmolzen, und der Keim 46 ist schmelzseitig wenige mm angeschmolzen, aber nicht vollständig aufgeschmolzen. Der horizontale Temperaturgradient in Kristallisationsrichtung auf Höhe der Anschmelzstelle beträgt 1 K/cm bis 50 K/cm, bevorzugt 5 K/cm bis 10 K/cm.
Die Einstellung der richtigen Absoluttemperatur, so dass der Keim 46 nur angeschmolzen wird, sowie des gewünschten Temperaturgradienten sollte über mindestens zwei Temperaturmessstellen auf oder nahe der Keim- bzw. benachbarten Schmelzoberfläche erfolgen. Die Messstelle, welche auf dem vorgelegten Keim näher zur Schmelze liegt, muss eine Temperatur im Bereich 2055 °C bis 2095 °C erreichen, bevorzugt im Bereich 2055 °C bis 2075 °C. Damit ist gewährleistet, dass dieser Bereich des Keims angeschmolzen ist. Eine zweite Messstelle, welche auf dem vorgelegten Keim nahe der Umfangswandung liegt, muss eine Temperatur im Bereich 1955 °C bis 2035 °C erreichen, bevorzugt im Bereich 2005 °C bis 2035 °C. Damit ist gewährleistet, dass der Keim nicht vollständig aufgeschmolzen ist, und dass der Temperaturgradient in der Nähe des gewünschten Bereichs liegt.
Die Kristallisation wird nachfolgend durch geregelte Führung der vorliegenden Heiz- und Kühlelemente initiiert und kontrolliert vorangetrieben. Dazu wird z. B. zu Beginn die aktive Kühlung erhöht und so die Kristallisation gestartet. Im weiteren Verlauf wird die Leistung der umgebenden Heizer langsam abgesenkt, um ein gerichtetes Fortschreiten der Kristallisationsfront zu unterstützen. Eine verbesserte Kontrolle der Schmelzisothermen kann hierbei auch durch Steuerung der Strahlungsschilder 40, 42 erreicht werden. Hierbei werden die Schilder 40, 42 verkippt oder verfahren, sodass sich der gewünschte Neigungswinkel der Schmelzisothermen bildet. Die einzustellende Kristallisationsgeschwindigkeit beträgt 1 mm/h - 50 mm/h, bevorzugt 5 mm/h - 20 mm/h.
Um zu verhindern, dass die Kristalloberfläche wegen dem kontinuierlichen Absinken der Schmelzhöhe aufgrund des großen Dichteunterschieds von Kristall (4 g/cm ) und Schmelze (3 g/cm ) gegenüber der Waagrechten verkippt ist, kann die Schmelzwanne 16 auch leicht verkippt eingebaut sein, von der Keimseite, also dem ersten Bereich weg abfallend. Die einzustellende Verkippung (Kippwinkel a) beträgt 5° bis 10°, bevorzugterweise 6° bis 7°. Alternativ kann auch, wie bereits weiter oben beschrieben, stets nur ein Teil des Rohstoffes gleichzeitig aufgeschmolzen werden. Die entsprechende Temperaturführung mit einer langsam von der Keimseite der Wanne 16 zur gegenüber liegenden Seite 34 wandernden Schmelzzone kann beispielsweise durch einen einzelnen beweglich gelagerten Heizer 72 oder durch eine sich langsam von der Keimseite der Wanne 16 zur gegenüber liegenden Seite 34 wandernden Leistungserhöhung der Einzelheizer 20, 22, 24, 26 erfolgen. Eine weitere Alternative zur Erreichung einer stabilen Schmelzhöhe während der fortschreitenden Kristallisation ist die kontinuierliche Nachchargierung von Rohstoff in die Schmelze, um den Dichteunterschied auszugleichen.
Nach vollständiger Kristallisation erfolgt das Abkühlen der AnlagelO, 100. Der Kristall wird zusammen mit der Schmelzwanne 16 entnommen. Die den Kristall umgebende Metallfolie wird entfernt. Aus dem so entstandenen Kristall kann nun ein Keim gewonnen werden, welcher bei einem nachfolgenden Prozess wieder als Keim vorgelegt wird.

Claims

Patentansprüche Verfahren und Anordnung zur gerichteten Erstarrung eines einkristallinen plattenförmigen Körpers
1. Verfahren zur gerichteten Erstarrung eines einkristallinen Scheiben- oder plattenförmigen Körpers, insbesondere in Form eines scheibenförmigen Saphirs, aus einem in einer eine Umfangswandung (30, 32, 34, 36, 38) und eine Bodenwandung (28) aufweisenden in einem Ofen (12) angeordneten Wanne (16) aufgeschmolzenen Material (62), wobei innenseitig in einem ersten Bereich der Umfangswandung der Wanne zumindest ein Einkristallkeim (46) angeordnet und angeschmolzen wird, der angeschmolzene Bereich mit in der Wanne geschmolzenem Material in Berührung gelangt und sodann durch Temperatureinwirkung eine Kristallwachstumsfront gebildet wird, die von dem zumindest einen Einkristallkeim ausgehend zur gegenüberliegenden Seite der Umfangswandung als zweiten Bereich bewegt wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Wanne (16) in dem Ofen (12) stationär und geneigt abfallend in Kristallisationsrichtung angeordnet wird,
dass Höhe des zumindest einen Einkristallkeims (46) zumindest Höhe des in der
Wanne aufzuschmelzenden Materials nach dessen Schmelzen entspricht, dass die Umfangswandung (30, 32, 34, 36, 38) in dem den zumindest einen
Einkristallkeim aufweisenden ersten Bereich kontrolliert gekühlt wird,
und dass das Bewegen der Kristallwachstumsfront zur Erzeugung des scheiben- oder plattenförmigen Körpers durch einen in dem Ofen horizontal verlaufenden
Temperaturgradienten erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Bereich durch Kontakt mit einem Wärmeableitelement (52, 82) oder mittels eines Kühlfluids oder durch Wärmeabstrahlung gekühlt wird, die zumindest eine gegebenenfalls querschnittsmäßig veränderbare Durchbrechung (88) einer die Wanne (16) zumindest bereichsweise umgebenden Isolierung (18) durchsetzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kristallwachstumsfront derart ausgebildet ist, dass diese in einem senkrecht zur Bodenwandung (28) verlaufenden Schnitt wannenbodenseitig einen geringeren Abstand zu dem ersten Bereich als im Bereich der Oberfläche der Schmelze (62) aufweist.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Heizelemente (20, 22, 24, 26) oberhalb der Wanne (16) derart angeordnet und gesteuert oder geregelt werden, dass sich eine Kristallwachstumsfront ausbildet, die in Bezug auf den ersten Bereich parallel oder konvex zu diesem verläuft.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Wanne (16) in Draufsicht eine Rechteckgeometrie aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass an einer der Innenseiten der die Rechteckgeometrie aufweisenden Wanne ein Einkristallkeim oder mehrere aneinandergereihte Einkristallkeime einer Länge angeordnet werden, die zumindest 10 , vorzugsweise zumindest 30 , insbesondere zumindest 50 , besonders bevorzugt 100 % der Länge der Innenseite entspricht.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Ofen (12) mehrere Wannen (16) übereinander angeordnet werden.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wanne (16) geneigt abfallend in Kristallisationsrichtung unter einem Neigungswinkel α zur Horizontalen mit 5° < α < 10°, vorzugsweise 6° < α < 7°, angeordnet wird.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Aufschmelzen des Materials (16) in der Wanne derart erfolgt, dass beabstandet zu der den kristallinen Bereich begrenzenden Kristallisationswachstumsfront eine Schmelzgrenze zu ungeschmolzenem Material verläuft.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Temperaturgradient durch Steuern oder Regeln der Temperatur in dem Ofen (12) erzeugt wird, wobei der Temperaturgradient vorzugsweise auf einen Wert zwischen 1 K/cm und 50 K/cm, insbesondere zwischen 5 K/cm und 10 K/cm eingestellt wird.
10. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei einem Saphir als einkristallinen Körper (32) die Temperatur des ersten Bereichs an der Umfangswandung auf 1955 °C bis 2035 °C, insbesondere auf 2005 °C bis 2035 °C, und/oder die Temperatur des Einkristallkeims im an der Schmelze angrenzenden Bereich auf 2055 °C bis 2095 °C, insbesondere auf 2055 °C bis 2075 °C, eingestellt wird.
11. Anordnung zur gerichteten Erstarrung eines einkristallinen plattenförmigen Körpers aus einer Schmelze, insbesondere aus einer Al203-Schmelze, umfassend einen Ofen (12), zumindest eine horizontal ausgerichtete, die Schmelze (62) aufnehmende, Umfangswandung (30, 32, 34, 36, 38) und Bodenwandung (28) aufweisende Wanne (16) sowie zumindest ein in dem Ofen vorgesehenes Heizelement (20, 22, 24, 26, 72), wobei an einem ersten Bereich der Umfangswandung ein Einkristallkeim (46) angeordnet wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wanne (16) stationär und geneigt abfallend in Kristallisationsrichtung in dem Ofen (12) angeordnet ist,
dass die Umfangswandung (30, 32, 34, 36, 38) in dem ersten Bereich mit einer wärmeableitenden Einrichtung (52, 82) verbunden ist, und
dass mittels des zumindest einen Heizelements (20, 22, 24, 26) ein horizontal verlaufender Temperaturgradient von dem ersten Bereich ausgehend bis zu einem zu dem ersten Bereich gegenüberliegenden zweiten Bereich der Umfangswandung zur Erzeugung des einkristallinen plattenförmigen Körpers erzeugbar ist.
12. Anordnung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass oberhalb der Schmelze mehrere Heizelemente (20, 22, 24, 26) angeordnet sind, wobei vorzugsweise zwischen den Heizelementen vorzugsweise kipp- bzw. verschwenkbare Strahlungsschilder (40, 42) angeordnet sind.
13. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
die Wanne (16) zumindest abschnittsweise von einer Isolierung (18) mit einer gegebenenfalls querschnittsmäßig veränderbaren Öffnung (88) umgeben ist, die von von dem ersten Bereich ausgehender Wärmestrahlung durchsetzbar ist.
14. Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Wannen (16) übereinander in dem Ofen (12) angeordnet sind.
15. Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass oberhalb der Schmelze (62) ein verstell- bzw. -fahrbares Heizelement (72) angeordnet ist.
16. Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bodenwandung (28) zur Horizontalen in Richtung der Kristallisationsrichtung unter einem Neigungswinkel α zur Horizontalen mit 5° < α < 10°, vorzugweise 6° < α < 7°, verläuft.
17. Anordnung nach zumindest Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die wärmeableitende Einrichtung ein Wärmetauscher (52) oder ein wärmeleitfähiges Element ist, das mit einer Wärmesenke verbunden ist, wobei insbesondere dem wärmeableitenden Element zur Beeinflussung der abfließenden Wärme zumindest einem Heizelement zugeordnet ist.
18. Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 17,
dadurch gekennzeichnet ,
dass die Wanne (16) aus einer Form mit in dieser eingebrachter Folie besteht, in der der Körper erstarrt, wobei die Folie insbesondere aus zumindest einem Material der Gruppe VI des Periodensystems, insbesondere aus Wolfram oder Molybdän, besteht.
19. Anordnung nach zumindest Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet ,
dass die Wanne (16) aus einem Material der Gruppe VI des Periodensystems, insbesondere aus Wolfram oder Molybdän, besteht. Einkristallines Plattenelement in Form eines aus Saphir bestehenden Fensters, hergestellt nach zumindest Anspruch 1, mit einer Länge L mit 500 mm < L < 1000 mm und/oder einer Breite B mit 500 mm < L < 1000 mm und/oder einer Dicke D mit 20 mm < D < 100 mm.
PCT/EP2014/056244 2013-04-02 2014-03-28 Verfahren und anordnung zur gerichteten erstarrung eines einkristallinen plattenförmigen körpers WO2014161774A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE201310103271 DE102013103271A1 (de) 2013-04-02 2013-04-02 Verfahren und Anordnung zur gerichteten Erstarrung eines einkristallinen plattenförmigen Körpers
DE102013103271.0 2013-04-02

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014161774A1 true WO2014161774A1 (de) 2014-10-09

Family

ID=50397150

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2014/056244 WO2014161774A1 (de) 2013-04-02 2014-03-28 Verfahren und anordnung zur gerichteten erstarrung eines einkristallinen plattenförmigen körpers

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102013103271A1 (de)
WO (1) WO2014161774A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018023335A1 (zh) * 2016-08-01 2018-02-08 三和德盛（洛阳）蓝宝石晶体制造有限公司 温场梯度移动法制备蓝宝石晶体的方法及装置

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2252809A1 (de) * 1972-10-27 1974-05-09 Inst Kristallografii Akademii Verfahren zur korund-einkristallzuechtung aus der schmelze und heizgeraet der einrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens
US4303465A (en) 1976-10-14 1981-12-01 Bagdasarov Khachik S Method of growing monocrystals of corundum from a melt
WO2010082968A2 (en) * 2008-10-23 2010-07-22 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. NONLINEAR OPTICAL CdSiP2 CRYSTAL AND PRODUCING METHOD AND DEVICES THEREFROM
DE102009044893A1 (de) 2009-12-14 2011-06-16 Q-Cells Se Herstellungsverfahren und Herstellungsvorrichtung zur Herstellung eines Kristallkörpers aus einem Halbleitermaterial
KR20120044954A (ko) * 2012-03-19 2012-05-08 주식회사 크리스텍 사파이어 단결정 성장방법과 그 장치
USRE43469E1 (en) 2004-04-08 2012-06-12 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. Single crystals and methods for fabricating same
EP2474651A2 (de) 2009-09-05 2012-07-11 Cristech Co., Ltd. Verfahren und vorrichtung zur züchtung von saphir-einzelkristallen

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2252809A1 (de) * 1972-10-27 1974-05-09 Inst Kristallografii Akademii Verfahren zur korund-einkristallzuechtung aus der schmelze und heizgeraet der einrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens
US4303465A (en) 1976-10-14 1981-12-01 Bagdasarov Khachik S Method of growing monocrystals of corundum from a melt
USRE43469E1 (en) 2004-04-08 2012-06-12 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. Single crystals and methods for fabricating same
WO2010082968A2 (en) * 2008-10-23 2010-07-22 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. NONLINEAR OPTICAL CdSiP2 CRYSTAL AND PRODUCING METHOD AND DEVICES THEREFROM
EP2474651A2 (de) 2009-09-05 2012-07-11 Cristech Co., Ltd. Verfahren und vorrichtung zur züchtung von saphir-einzelkristallen
DE102009044893A1 (de) 2009-12-14 2011-06-16 Q-Cells Se Herstellungsverfahren und Herstellungsvorrichtung zur Herstellung eines Kristallkörpers aus einem Halbleitermaterial
KR20120044954A (ko) * 2012-03-19 2012-05-08 주식회사 크리스텍 사파이어 단결정 성장방법과 그 장치

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
E.R. DOBROVINSKAYA: "Sapphire - Material, Manufacturing, Applications", 2009, SPRINGER
E.R. DOBROVINSKAYA: "Sapphire - Material, Manufacturing, Applications", 2009, SPRINGER, article "HDS- oder HDC-Verfahren ist im Detail"
J.W. LOCHER ET AL.: "Producing large EFG sapphire sheet for VIS-IR (500 - 5000 nm) window applications", PROC. SPIE INT. SOC. OPT. ENG., vol. 5786, 2005, pages 147 - 153
J.W. LOCHER ET AL.: "Producing large EFG sapphire sheet for VIS-IR (500 nm - 5000 nm) window applications", PROC. SPIE INT. SOC. OPT. ENG., vol. 5786, 2005, pages 147 - 153
JOHN W. LOCHER ET AL: "Producing large EFG sapphire sheet for VIS-IR (500-5000 nm) window applications", PROCEEDINGS OF SPIE, vol. 5786, 18 May 2005 (2005-05-18), pages 147 - 153, XP055118678, ISSN: 0277-786X, DOI: 10.1117/12.603843 *
M.S. AKSELROD; F.L. BRUNI: "Modern trends in crystal growth and new applications of sapphire", JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH, vol. 360, 2012, pages 134 - 145
PETER RUDOLPH ET AL: "The horizontal bridgman method", CRYSTAL RESEARCH AND TECHNOLOGY, vol. 23, no. 10-11, 1 October 1988 (1988-10-01), pages 1207 - 1224, XP055118721, ISSN: 0232-1300, DOI: 10.1002/crat.2170231002 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018023335A1 (zh) * 2016-08-01 2018-02-08 三和德盛（洛阳）蓝宝石晶体制造有限公司 温场梯度移动法制备蓝宝石晶体的方法及装置

Also Published As

Publication number Publication date
DE102013103271A1 (de) 2014-10-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102006017621B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von multikristallinem Silizium
EP2028292B1 (de) Verfahren zur Herstellung von monokristallinen Metall- oder Halbmetallkörpern
DE102006017622B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von multikristallinem Silizium
DE2461553C2 (de) Verfahren zum Züchten eines Einkristalls im Tiegel
DE102012102597B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Materialkörpers aus Silizium oder Germanium, Wafer aus Silizium oder Germanium, sowie Verwendungen hiervon
DE19806045A1 (de) Verfahren zum Herstellen von einkristallinen Siliziumstäben und Siliziumwafern unter Steuern des Ziehgeschwindigkeitsverlaufs in einem Heißzonenofen, sowie mit dem Verfahren hergestellte Stäbe und Wafer
DE112014003969T5 (de) Oberer Wärmeabschirmkörper, Ingotzuchtvorrichtung mit demselben und Ingotzuchtverfahren verwendend denselben
DE69934643T2 (de) Verfahren zur herstellung eines einkristalls mit halbleitender zusammensetzung
EP0634504A1 (de) Verfahren zur Herstellung von Stäben oder Blöcken aus beim Erstarren sich ausdehnendem Halbleitermaterial durch Kristallisieren einer aus Granulat erzeugten Schmelze
DE102008029951B4 (de) Wärmeisolationsanordnung für Schmelztiegel und deren Verwendung sowie Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von ein- oder multikristallinen Materialien
DE102022135062A1 (de) Kristallzüchtungsvorrichtung, verfahren, system und speichermedium zur steuerung des kristalldurchmessers
DE112010003035B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines Halbleiterkristalls
DE102012100147A1 (de) Verfahren zur Herstellung von mono-, quasimono- oder multikristallinen Metall- oder Halbmetallkörpern
DE102020127337B4 (de) Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung
EP1509642B1 (de) Anordnung zur herstellung von kristallstäben mit definiertem querschnitt und kolumnarer polykristalliner struktur mittels tiegelfreier kontinuierlicher kristallisation
DE102008051492A1 (de) Vorrichtung zum Kristallisieren von Nicht-Eisen-Metallen
WO2014161774A1 (de) Verfahren und anordnung zur gerichteten erstarrung eines einkristallinen plattenförmigen körpers
DE69724612T2 (de) Vorrichtung und verfahren zur herstellung von kristallen durch die czochralskimethode und durch diese methode hergestellte kristallen
DE2254615B2 (de) Herstellung mehrphasiger Eutektikumskörper
DE102009044893B4 (de) Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Kristallkörpers aus einem Halbleitermaterial
DE102009015113A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Züchtung von Kristallen
DE102020127336A1 (de) Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung
DE102008039457A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum gerichteten Erstarren einer Schmelze
DE102005037393B4 (de) Verfahren sowie Vorrichtung zur Züchtung von grossvolumigen Einkristallen unter Ausbildung einer konvexen Phasengrenzfläche während des Kristallisationsprozesses
AT524603B1 (de) Verfahren zur Herstellung eines künstlichen Saphir-Einkristalls

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14714242

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14714242

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1