DD272483A1

DD272483A1 - Verfahren zur zuechtung von oxidischen kristallen nach der czochralski-methode

Info

Publication number: DD272483A1
Application number: DD31636988A
Authority: DD
Inventors: Peter Stuendl; Frank Rosenberg; Doris Damm
Original assignee: Elektronische Bauelemente Veb
Priority date: 1988-06-03
Filing date: 1988-06-03
Publication date: 1989-10-11

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Kristallzuechtung und wird insbesondere bei der Zuechtung oxidischer Kristalle spezieller kristallographischer Richtungen mit ausgepraegtem Facettenwachstum angewendet. Erfindungsgemaess wird der Kristallkeim mit einem Hub 0 mm/h bei einer Rotation 3 min 1 und einer radialen Wachstumsgeschwindigkeit 2 cm/h waehrend der Verbreiterung zeitweise in die Schmelze hineinbewegt. Das komplexe Zusammenwirken von Hub, Rotation und Wachstumsgeschwindigkeit waehrend der Verbreiterung stellt solche Wachstumsbedingungen ein, dass die Bildung von Polykristallen auf den Kristallfacetten verhindert wird.

Description

Charakteristik de« bekannten Standes dor Technik

Es Ist bekannt, daß bei der Kristallzüchtung aus der Schmelze nach dem Czochralski-Verfahren die Verbreiterung des Kristalls nach dem Anschmelzen des Keimes in Form eines Kegel- oder Schulterkopfes erfolgt. Dabei wird der Kristall unter Rotation mit einem Hub unterschiedlicher Geschwindigkeit aus der Schmelze gezogen.

Die axiale Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalls resultiert aus der Hubbewegung und dem Absinken der Schmelzoberfläche.

Neben den geometrischen Verhältnissen von Tiegel und Kristall ist das Absinken der Schmelzoberfläche auch vom Dichteunterschied zwischen Festkörper und Schmelze abhängig.

Bei der Züchtung von oxidischen Kristallen mit speziellen kristallographischen Richtungen ist ein stark ausgeprägtes Facettenwachstum zu beobachten. Die Facetten sind Austritte singulärer Kristallflächen aus der Oberfläche dos Kristalls (N.Wiizeki, T. Yamada, H.Toyoda, Japanes Journal of Applied Physics Vol. β, No. 3, March 1967,318-327).

Singuläre Flächen erfordern zum Wachstum eine starke Unterkühlung, welche zu einer parasitären Keimbiidung neigt. Das wiederum führt zur Entstehung von Polykristallinen.

Insbesondere während der Verbreiterung können die Facetten mehrere Millimeter aus der Kristalloberfliiche hervorstehen. Die Höhe ist vor allen Dingen abhängig von der Größe der ausgebildeten singulären Fläche, deren Winkel zur Kristalloberfläche und dem Benetzungsverhalten der Schmelze. Durch das Hervorstehen der singulären Flächen wird der Moniskus der Schmelzt- an diesen Stellen angehoben. Die Schwerkraft der angehobenen Schmelze und die durch Rotation verursachte Fliehkraft bewirken eine starke Tendenz zum Abgleiten des Schmelimeniskus von den singulären Flächen. Diese Tendenz tritt besonders bei kritischen Winkeln zwischen singulärer Fläche und Krlstalloberflächo auf.

Das Abgleiten des Schmelzmeniskus führt ebenfalls zur parasitären Keimbildung.

Die Größe der ausgebildeten slngulären Flächen läßt sich durch die thermischen Gradienten bee'nflussen. Bekannt sind dazu Verfahren, bei denen mit extrem steilen thermischen Gradienten die singulären Flächen kleingehaiten werden. Das Züchten unter steilen thermischen Gradienten führt jedoch zu einer Erhöhung der Fehlerzahl in der Kristallstruktur. Einen Kompromiß stellt die Anordnung nach PS-OD 215340 dar, bei der während der Verbreiterung ein steilerer thermischer Gradient eingestellt wird als während der Züchtung im zylindrischen Teil des Kristalls. Des weiteren sind nach PS-DE 3005492 Vorrichtungen bekannt, bei denen mit Hilfe beweglicher Strahlungsreflektoren ein ähnlicher Effekt erzielt wird. Jedoch ist die technische Realisierung zu aufwendig.

In PS-DD 235 890 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem durch Anlegen eines elektrischen Feldes das Benetzungsverhalten der Schmelze an den Facetten so beeinflußt wird, daß deren Ausbildung reduziert oder ganz verhindert werden kann. Es ist jedoch

bekannt, daß durch das elektrische Feld Effekte, wie Elektrolyse der Schmelze, Änderung des Fremdioneneinbaus, Stöchiometrieänderungen u.a. hervorgerufen werden können (A.Räuber, Mat. Res. Bull., Vol.11,1976 und K.Wassau u.a.

J.Phys.Chem. Solids, 1966, Vol.27, S.989-996).

Diese Effekte wirken sich häufig nachteilig auf den Züchtungsprozeß und die Qualität der Kristalle aus. Zum Beispiel weisen die nach dieser Methode hergestellten Lithiumniobatkristalle in dem mit elektrischem Feld gezüchteten Teil Stöchiometrieänderungen auf. Das führt zu starken Eigenspannungen und letztendlich zum Zerspringen der Kristalle.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Züchtung von Kristallen spezieller kristallographischer Richtungen nach der Czochraleki-Methode zu entwickeln, welches die Bildung von Polykristallen auf den singulären Flächen stark reduziert oder ganz verhindert, ohne dabei die Kristallqualität negativ zu beeinflussen. Das Verfahren muß technisch bei geringem Aufwand gut realisierbar sein.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Wachstumsbedingungen bei der Züchtung von Kristallen spezieller krtetallographischer Richtungen nach der Czochralski-Methode so zu gestalten, daß durch ein günstiges Verhältnis von Hub, Rotation und Wachstumsgeschwindigkeit die Bildung von Polykristallen an Kristallen mit stark ausgeprägter Facettenbildiing während der Verbreiterung vermieden wird.

Erf indungsgemaß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Keim während der Verbreiterung bei einem geringen oder negativen Hub, das heißt bei einem Hub £ Omm/h und einer geringen Rotation ä 3min'¹ und einer relativ hohen radialenWachstumsgeschwindigkeit s 2cm/h in die Schmelze zeitweise hineinbewegt wird. Die radiale Wachstumsgeschwindigkeit ist dabei mindestens zweimal so groß wie die übliche axiale Wachstumsgeschwindigkeit für das betroffende Material. Das komplexe Zusammenwirken von Hub, Rotation und Wachstumsgeschwindigkeit während der Verbreiterung verhindert die Bildung von Polykristallen auf den Kristallfacetten, da das Herausheben der singulären Flächen übor das Niveau der Schmelze weitestgehend verhindert wird. Damit ist eine ständige Benetzung dieser Flächen gewährleistet und die Schwerkraft des Schmelzmeniskus reduziert. Die Verringerung der Rotation bewirkt eine Reduzierung der Fliehkraft und wirkt damit der Tendenz des Abgleitens des Schmelzmeniskus von den singulären Flächen entgegen. Die hohe radiale Wachstumsgeschwindigkeit führt zu einer verringerten Ausbildung der Facetten. Gleichzeitig wird dadurch das Wachstum unter besonders kritischen Winkeln zwischen singulärer Flüche und Kristalloberlläche schnell überwunden. Durch die komplex angewendeten Maßnahmen wird die Bildung von Polykristallen an Kristallen mit stark ausgeprägter Facettenbildung in der Verbreiterung voi hindert.

Ausführungsbnlsplel Die Erfindung wird an der Züchtung von Uthiumniobatkristallen in y-Rlchtung nach der Czochralski-Methode erläutert. Bei der Züchtung dieser Kristalle ist elno starke Tendenz zur Polykristallblldung zu beobachten und somit die Herstellung großer Kristalle nicht möglich. Die Polykristallbildung wird durch parasitäre Keimbildung, insbesondere auf den stark ausgeprägten singulären Flächen der Form {1012} begünstigt. Die kritischen Winkel zwischen singulärer Fläche und Kristalloberfläche treten bei beginnender Verbreiterung auf. Nach der Verjüngung des Keimes am Ende des Anscbmelzens wird die Schmelze durch schnelle Verringerung der Energiezufuhr

soweit abgekühlt, daß der Kristall mit einer radialen Geschwindigkeit von 3-5cm/h am Beginn der Verbreiterung wächst, wobeisich gleichzeitig der Keim mit einer Hubgeschwindigkeit von 2 mm/h in Richtung Schmelze bewegt. Gleichzeitig erfolgt eine

Verringerung der Rotation von anfangs 15min'¹ auf 1-2min"'. Bei einem Durchmesser der Verbreiterung von etwa 10mm wird der Hub auf 0-1 mm/h Aufwärtsbewegung umgeschaltet. Unter

diesen Bedingungen wächst der Kristall bis zum Ende der Verbreiterung. Am Ende der Verbreiterung werden allmählich die fürdas Wachstum des zylindrischen Teils optimalen Werte von Hub 2 mm/h und Rotation 15mln"¹ eingestellt. Das radiale

Wachstum wird durch Erhöhung der Energiezufuhr beim Erreichen des gewünschten Durchmes iers beendet.

Claims

Verfahren zur Züchtung von oxidischen Kristallen nach der Czochralskl-Methode, bei dem durch ausgeprägtes Facettenwachstum in der Verbreiterung eine starke Neigung zur Bildung von Polykristallen auftritt, gekennzeichnet dadurch, daß durch ein komplexes Zusammenwirken der Wachstumsbedingungen während der Verbreiterung der Keim bei einem Hub £ Omm/h, einer Rotation £ 3min~' und einer radialen Wachstumsgeschwindigkeit a 2cm/h zeitweise in Richtung der Schmelze bewegt wird.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Öle Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Kristallzüchtung, insbesondere auf die Züchtung oxidischer Kristalle spezieller kristallographischer Richtungen mit ausgeprägtem Facettenwachstum nach der Czochralski-Methode.