-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
von Einkristallen mit großem
Durchmesser, insbesondere von hochschmelzenden Einkristallen, mittels
des sogenannten Floating-Zone-Verfahrens (FZ-Verfahren) unter Verwendung
eines in die Schmelzzone eingetauchten beheizten Bandes.
-
Bei
den bekannten Schmelzzüchtungsverfahren
zur Herstellung von hochschmelzenden Kristallen, wie beispielsweise
dem Kyropoulos-, Bridgman-, Heat Exchange-, EFG- oder Czochralski-Verfahren,
werden große
Mengen des Ausgangsmaterial (in der Regel in pulvriger Form) in
einem Tiegel bzw. Behälter
aufgeschmolzen und beginnend an einem mit der Schmelze in Berührung stehenden Keimkristall
langsam abgekühlt,
so dass einkristallines Wachstum auftritt und Kristalle mit großem Durchmesser
erhalten werden können.
Alle Verfahren haben aber gravierende Nachteile bezüglich Kristallqualität, Spannungsverlauf
im Kristall, Orientierung des Kristalls, Zuchtgeschwindigkeit, Kontrollierbarkeit
des Zuchtprozesses und Größe des Kristalls.
-
Dahingegen
kann das bekannte Floating-Zone-Verfahren nicht zur Herstellung
von Einkristallen großer
Durchmesser genutzt werden. Bei diesem Verfahren wird durch eine
senkrechte Anordnung eines polykristallinen Stabes und eines darunter
befindlichen in direktem Kontakt stehenden Keimkristalls und anschließender Aufheizung
der Schnittstelle auf Schmelztemperatur eine Schmelzzone geringer Höhe erzeugt,
welche durch die Oberflächenspannung
der schmelzflüssigen
Phase in ihrer Position zwischen Stab und Keimkristall gehalten
wird.
-
Als
Ausgangsmaterialien werden bei diesem Verfahren ein polykristaliner
Voll- oder Hohlstab beliebiger Querschnittsgeometrie (Nährstab)
und ein Einkristall (Keim) verwendet. Die Schnittstelle zwischen
Nährstab
und Keimkristall wird durch eine aus dem Stand der Technik bekannte
optische oder elektrische Heizung erwärmt. Das heißt, es wird
durch elektromagnetische Strahlung die Oberfläche des Nährstabs bzw. Keimkristalls
aufgeheizt und das Innere muss dementsprechend durch Wärmeleitung von
außen
nach innen durchwärmt
werden. Nachdem die Kristallschmelztemperatur erreicht ist, beginnt
das Ende des polykristallinen Stabes und des Keimkristalls zu schmelzen.
Die am Keim und Nährstab
entstehenden Schmelztropfen werden zusammengeführt, so dass eine Schmelzzone
etabliert wird. Diese wird durch eine Relativbewegung des Keims
und des Nährstabs
zur Heizung bewegt, wobei das schmelzflüssige Material durch die Öffnungen des
Bandes gezogen wird und auf dem Keimkristall durch gezieltes Abkühlen das
Wachstum eines Einkristalls bewirkt. Ein besonderer Vorteil dieses
Verfahrens, ist die Möglichkeit
qualitativ hochwertige Einkristalle mit hoher Schmelztemperatur
(Tm > 1500°C) herstellen
zu können.
Allerdings ist das herkömmliche
Floating-Zone-Verfahren, bei dem zum Heizen des Kristalls eine rf-Strahlung
verwendet wird, nur auf die Züchtung
von Einkristallen mit Durchmessern von nur wenigen Millimetern begrenzt,
was durch den Temperaturgradienten über den Querschnitt des Nährstabes
bzw. Keimkristalls und die Schmelzzonenhöhe vorgegeben ist.
-
Denn
wenn die Schmelzzonenhöhe
einen Grenzwert (typische Schmelzzonenhöhen liegen im Bereich von wenigen
Millimetern) übersteigt,
so dass der hydrostatische Druck der Schmelzzone zu groß wird (maximal
möglicher
Druck abhängig
von den Materialparametern Viskosität und Oberflächenspannung),
bricht die Schmelzzone zusammen und läuft die Schmelze am polykristallinen
Stab bzw. am Keimkristall nach unten ab. Auf Grund radialer Temperaturgradienten,
bedingt durch die Heizmethode, ergeben sich konvex durchgebogene
Phasengrenzen. Damit ist der maximale Kristalldurchmesser begrenzt,
denn es muss eine über
den Querschnitt durchgehende Schmelzzone eingestellt werden, um Kristalle
herzustellen. Bei erreichbaren Schmelzzonenhöhen von < 2 cm können somit herkömmlich Kristalldurchmesser
nur von wenigen Millimetern erzielt werden.
-
Eine
Möglichkeit,
diese Schwierigkeiten zu umgehen und größere Kristalldurchmesser herstellen
zu können,
besteht nun darin, das bekannte Floating-Zone-Verfahren für den Zweck
der oxidischen Einkristallzucht (z.B. von Saphir, LSO, YAG) durch den
Einsatz eines speziellen beheizten, gelochten Bandes zu modifizieren.
Das gelochte Band wird dazu über
den gesamten Querschnitt oder zumindest einem Teil davon an der
Schnittstelle zwischen dem gesinterten polykristallinen Nährstab und
Keimkristall eingebracht. Dieses Band, bestehend aus Metall oder
Graphit oder einem anderen geeigneten hochtemperaturfesten Material,
wird in geeigneter Weise, z.B. direkt durch den Joule-Effekt oder
Widerstandsheizen zumindest im Bereich des Querschnittes des polykristallinen
Stabes bzw. Keimkristalls so beheizt, dass eine möglichst
homogene Temperaturverteilung über
den Querschnitt entsteht. Dadurch wird erreicht, dass der polykristalline
Stab und der Keim an deren Enden aufgeschmolzen werden und durch
eine Schmelzzone verbunden werden können.
-
DE-OS
2 221 574 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
eines Einkristalls nach dem Floating-Zone-Verfahren. Dabei kann am
Außenumfang
des Heizstrei fens ein senkrechter Bund vorgesehen sein, der mit
Hilfe einer Induktionswicklung erhitzt wird und damit auch das Band
selbst durch Wärmeleitung
erwärmt.
Allerdings wurde damit lediglich ein Kristall mit einem Durchmesser
von 10 mm hergestellt.
-
DE-OS
24 52 215 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
eines Einkristalls großen
Querschnitts, wobei durch Vergrößerung des
Widerstands in der Mitte des Heizstreifens, herbeigeführt durch Öffnungen
in dem Heizstreifen, eine örtliche
Zunahme der Temperatur herbeigeführt
wird. Diese beiden lateralen Zonen erstrecken sich dabei über die
gesamte Breite des Heizstreifens, so dass zwischen der Mitte und
den beiden Enden des Heizstreifens ein Temperaturgradient eingestellt
wird.
-
US 4,623,423 und
US 4,752,451 offenbaren eine
Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 mit einer weiteren Heizeinrichtung, die nahe der
Schmelzzone vorgesehen ist, um einen Temperaturgradienten in Längsrichtung
des Nährstabs
bzw. Keimkristalls im Bereich der Schmelzzone vorzugeben. Dabei
ist eine Vorheizung stromaufwärts
der Schmelzzone angeordnet und ist eine Nachheizung stromabwärts der
Schmelzzone angeordnet. Vorheizung und Nachheizung werden jeweils
von einem Keramikrohr, das den Nährstab
bzw. Keimkristall umgibt, und von Widerstands-Heizelementen ausgebildet,
welche die Keramikrohre umgeben. Mit dieser Anordnung werden Wärmeverluste
der Schmelzzone durch Wärmeleitung
kompensiert. Durch die Geometrie und Anordnung der Bohrungen in
dem Heizstreifen, die nicht variiert werden kann, kann die Heizleistung
in den Heizstreifen jedoch nur ungenügend eingestellt werden. Die
Vorheizung und Nachheizung kompensieren auch Wärmestrahlungsverluste, die bei
hohen Temperaturen eine immer größere Rolle spielen.
-
Eine
weitere Vorrichtung für
ein Floating-Zone-Verfahren ist in
US
5,114,528 offenbart, wobei ein muffenförmiges Formelement die Schmelzzone
umgibt, um den Querschnitt des wachsenden Einkristalls bei der Abkühlung zu
formen. Ein Überlaufen von
flüssigem
Material aus der Schmelzzone ist dabei nur schwer zu verhindern.
Offenbart ist auch, innerhalb der Heizmuffe RF-Spulen vorzusehen.
Bei einer solchen Ausführungsform
ist jedoch kein Heizstreifen in der Schmelzzone angeordnet.
-
JP
05-043378 A offenbart eine Vorrichtung zum Züchten von Einkristallen. Als
Vor- und Nachheizung können
dabei in der Art, wie in
US 5,114,528 offenbart,
auch RF-Spulen vorgesehen sein, die auf dem Innenumfang eines isolierenden
Keramikrohrs angeordnet sind, das den Keimkristall und den Nährstab umgibt.
Dabei ist nicht offenbart, ob die RF-Strahlung unmittelbar an das Material
der Schmelzzone bzw. des Nährstabs
ankoppelt oder indirekt zur Aufheizung genutzt wird. Offenbart wird
die Verwendung dieser Vorrichtung auch für hochschmelzende Kristalle,
insbesondere Saphir-Kristalle mit Längen bis zu etwa 70 mm. Allerdings
ist der maximal erzielbare Außendurchmesser
der Zuchtkristalle auf etwa 50 mm begrenzt, was für Massenherstellungsverfahren,
beispielsweise zur Herstellung von Saphir-Substraten großen Durchmessers
für die LED-Herstellung,
häufig
unzureichend ist.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
bereitzustellen, womit sich insbesondere hochschmelzende Einkristalle
mit noch größeren Durchmessern,
insbesondere mit Durchmessern von mehr als etwa 100 mm, herstellen
lassen.
-
Diese
und weitere Aufgaben werden gemäß der vorliegenden
Erfindung durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch
1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 9 gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der rückbezogenen
Unteransprüche.
-
Erfindungsgemäß umfasst
die weitere Heizeinrichtung eine erste Heizspule stromaufwärts der Schmelzzone
und eine zweite Heizeinrichtung stromabwärts der Schmelzzone, zwischen
denen ein Spalt ausgebildet ist, durch den sich der Heizstreifen
bis zu der Schmelzzone erstreckt, wobei die Heizspulen jeweils mit
einer Radiofrequenz betrieben werden, um für einen zusätzlichen induktiven Wärmeeintrag
in den Heizstreifen zu sorgen und den Temperaturgradienten im Bereich
der Schmelzzone noch geeigneter vorzugeben. Zu diesem Zweck wird
eine geeignete geometrische Anordnung von Heizstreifen und jeweiliger
Heizspule gewählt.
-
Vorteilhaft
ist, dass mit der an die jeweilige Heizspule angelegten Radiofrequenz
bzw. Mittelfrequenz ein weiterer Parameter zur Verfügung steht, der
in einfacher Weise, nämlich
elektronisch, variiert werden kann. Im Gegensatz dazu kann im Stand
der Technik die Geometrie und Anordnung der Öffnungen in dem Heizstreifen
nur unzureichend, nämlich nur
durch Austauschen des Heizstreifens selbst, geändert und angepasst werden.
-
Erfindungsgemäß sind der
Heizstreifen und die jeweilige Heizspule so relativ zueinander angeordnet,
dass die Radiofrequenz entlang einer Außenkante des Heizstreifens
im Bereich der Schmelzzone ankoppelt, um Wärmeverluste am Rand der Schmelzzone
zu kompensieren. Bei den hohen Temperaturen, die mit Hilfe des Verfahrens
bzw. der Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung erzielt werden können,
insbesondere bei Temperaturen von bis zu oder oberhalb etwa 2000°C, spielen
Verluste durch Wärmestrahlung
eine immer größere Rolle. Die
Wärmestrahlung
wird dabei im Wesentlichen radial abgestrahlt. Während gemäß dem Stand der Technik stets
versucht wurde, diese Wärmestrahlung durch
im Wesentlichen radialsymmetrische Wärmeisolationen und Temperaturstrahler
auszugleichen, können
erfindungsgemäß Wärmestrahlungsverluste in überraschend
einfacher Weise gezielt durch induktiven Wärmeeintrag in den Heizstreifen
kompensiert werden. So kann die Geometrie der Heizspulen so gewählt werden,
dass entlang der Außenkante
des Heizstreifens ein höherer
induktiver Wärmeeintrag erzielt
werden kann, also auch eine insgesamt nicht radialsymmetrische Temperaturverteilung
erzielt werden kann.
-
Erfindungsgemäß werden
von den Heizspulen in dem Heizstreifen Wirbelströme induziert, welche den Heizstreifen
zusätzlich
zu der Widerstandsheizung weiter erwärmen. Durch gezielte Wahl der Geometrie
der Heizspulen kann für
einen örtlich
variierenden induktiven Wärmeeintrag
gesorgt werden, so dass lokal unterschiedliche Wärmestrahlungsverluste und andere
Wärmeverluste
noch effektiver kompensiert werden können.
-
Erfindungsgemaß ist zwischen
der jeweiligen Heizspule und dem Nährstab bzw. Keimkristall ein
weiteres Rohr angeordnet, in das die von den Heizspulen erzeugte
RF- bzw. Mittelfrequenz-Strahlung einkoppelt, so dass die Rohre
auf eine Temperatur knapp unterhalb der Schmelztemperatur des Kristalls
erwärmt
werden. Dabei wird ein Teil der RF- bzw. Mittelfrequenz-Strahlung
auch weiterhin in den Heizstreifen eingekoppelt, um für einen
induktiven Wärmeeintrag
in den Heizstreifen zu sorgen.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform weist
eine Außenkante
des Heizstreifens im Bereich der Schmelzzone einen verbreiterten
Bereich auf, in welchem die in dem Heizstreifen induzierten Wirbelströme weniger
stark abgelenkt werden, was zu einer gleichmäßigeren Erwärmung des Heizstreifens und zur
Vermeidung von heißen
Zonen (Hot Spots) in dem Heizstreifen auf Grund des induktiven Wärmeeintrags
sorgt. Dieser verbreiterte Bereich kann beispielsweise als kreisbogenförmige Ausbauchung ausgebildet
sein, die radial auswärts
von dem im Übrigen
rechteckförmigen
Heizstreifen abragt.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann
die Vorheizung und/oder Nachheizung von einer weiteren Wärmeisolierung,
bevorzugt einem Keramikrohr, umgeben sein, das der weiteren Wärmeisolierung
dient.
-
Gemäß einem
weiteren bevorzugten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist
der Einkristall ein Einkristall aus Saphir (Al2O3), der entlang der kristallographischen
c-Achse gewachsen ist. Solche Saphir-Einkristalle eignen sich hervorragend
als Substrat zur Herstellung von optoelektronischen Bauelementen,
beispielsweise LEDs, mittels MOCVD oder vergleichbarer, aus dem
Stand der Technik bekannten Verfahren. Weil der Kristall entlang
der kristallographischen c-Achse gewachsen ist, können die
Substrate in einfacher Weise senkrecht zu dieser Achse aus dem Einkristall
herausgeschnitten werden. Bei diesen Substraten ist die kristallographische
c-Achse senkrecht zur Substratoberfläche ausgerichtet, sodass Spannungen
in dem Substrat stets zu einer radialsymmetrischen Spannungsverteilung
führen.
Solche Substrate verziehen sich somit in vorteilhaft geringem Ausmaß, was zu
vorteilhaft langen Lebensdauern der optoelektronischen Bauelemente
führt.
-
Weil
die Substrate erfindungsgemäß mit vergleichsweise
hoher Geschwindigkeit entlang der kristallographischen c-Achse gezüchtet werden
können, sind
die Herstellungskosten vorteilhaft gering. Ferner können Materialverluste
bei der Weiterverarbeitung zu Substraten minimiert werden, da die
Einkristalle bereits entlang der kristallographischen c-Achse gezogen
sind.
-
Figurenübersicht
-
Nachfolgend
wird die Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben werden, woraus sich weitere Vorteile, Merkmale
und zu lösende
Aufgaben ergeben werden und worin:
-
1 in
einer schematischen Schnittansicht eine Vorrichtung zum Züchten von
Kristallen gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
-
2 in
einer schematischen Perspektivansicht und im Teilschnitt eine Vorrichtung
ge mäß einer ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
3a die
Temperaturverteilung in dem Heizstreifen einer Vorrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt, die in der 5 gezeigt
ist;
-
3b eine
simulierte Verteilung der Stromdichte in dem Heizstreifen für die Temperaturverteilung
gemäß der 3a darstellt;
-
4 eine
simulierte Verteilung des induzierten Wirbelstroms in dem Heizstreifen
der Vorrichtung gemäß der 2 darstellt;
-
5 in
einer perspektivischen Unteransicht und im Teilschnitt eine Vorrichtung
zum Züchten
von Kristallen gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei eine simulierte Temperaturverteilung
schematisch mit eingezeichnet ist;
-
6 in
einer perspektivischen Schnittansicht eine Vorrichtung gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei die simulierte Temperaturverteilung
mit eingezeichnet ist; und
-
7 in
einer perspektivischen Schnittansicht eine Vorrichtung gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei die simulierte Temperaturverteilung
mit eingezeichnet ist.
-
In
den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische oder
im Wesentlichen gleichwirkende Elemente oder Elementgruppen.
-
1 zeigt
schematisch die verwendete Anlage zur Zucht von hochschmelzenden
Einkristallen mit einem Durchmesser > 50 mm. Allgemein können in dieser Anlage alle
Arten von Kristallen gezüchtet und
alle üblicherweise
zur Kristallzucht verwendeten Materialien eingesetzt werden. Außerdem ist
möglich mit
dieser Art von Apparatur Einkristalle beliebiger Größe herzustellen.
Der Durchmesser der bislang eingesetzten Preformen betrug zwischen
10 mm und 100 mm, wobei dies nur beispielhafte Werte sind, die keine
Grenze nach oben oder unten für
das Verfahren darstellen.
-
Anhand
der 1 soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung
zur Züchtung
von Saphir (Al2O3)
beschrieben werden.
-
Zunächst wird
der im Beispiel verwendete Nährstab 3 mit
einem Durchmesser von 100 mm durch eine Halterung 7 innerhalb
des Prozessbehälters 2 aufgenommen,
wobei die Halterung 7 durch den Rotations-/Translationsantrieb 12 mit
Geschwindigkeiten von 0–100
min–1 um
die Drehachse 8 rotieren und vertikal von 0–40 mm/h
verfahren werden kann. Der Nährstab 3 besteht
dabei aus hochreinem zu Vollzylindern gesintertem Al2O3. Am Umfang des Nährstabs 3 befindet
sich ein Vorheizer 15, der zum Einen den Nährstab 3 auf
etwa 2000°C
aufheizen soll, was etwas unterhalb dessen Schmelztemperatur von
2040°C ist,
und zum Anderen für
einen ausreichend kleinen axialen Temperaturgradienten zwischen
Schmelzzone 5 und Einspannstelle des Nährstabs 3 sorgt. Der
Vorheizer 15 besteht dabei aus einem mittelfrequenzbeheizten
Iridiumrohr 18, um das herum die Mittelfrequenzspulen 17 herum
angeordnet sind. Zusätzlich
ist zwischen Vorheizer 15 und Wandung des Prozessbehälters 2 am
Umfang des Nährstabes 3 bzw.
dessen Aufnahme eine Wärmeisolierung
(2), z.B. bestehend aus einem Spinell- oder Aluminiumoxidrohr,
angeordnet, um den axialen Temperaturgradienten entsprechend beeinflussen
zu können.
-
Direkt
unterhalb des unteren Endes des Nährstabs 3 befindet
sich das rechteckförmige
beheizte Band 6 aus Iridium mit einer Breite von 110 mm,
was etwas über
dem Durchmesser des Nährstabs 3 liegt,
und mit einer Länge,
welche an beiden Enden die Kontaktierung zum Zwecke des direkten Beheizens
mittels Anlegen einer Spannung und des damit hervorgerufenen Joule
Effektes durch das Fließen
eines elektrischen Stromes ermöglicht.
Die Dicke des Bandes 6 beträgt 2 mm. Das Band 6 wird durch
die direkte elektrische Beheizung auf eine Temperatur von 2100°C gebracht,
was 60 K oberhalb des Schmelzpunktes des Nährstabs 3 liegt. Damit wird
das untere Ende des Nährstabs 3 schmelzflüssig. Auf
dem Teil der Fläche
des Bandes 6, die der Nährstab 3 überdeckt,
sind Bohrungen in der Art eingebracht, dass einerseits die Temperatur über diesem
Teil der Fläche
des Bandes 6 homogen ist und zum Anderen die Möglichkeit
für das
schmelzflüssige Material
besteht, durch das Band 6 hindurch auf die Seite des direkt
unter dem Band 6 befindlichen Keimkristalls 4 zu
fließen.
Der Keimkristall 4 besitzt einen Durchmesser von 100 mm,
eine Höhe
von 50 mm und ist auf einem als Keimkristall-Haltestab wirkenden
Keramikstab 9 befestigt, der bevorzugt aus Aluminiumoxid
besteht.
-
Am
Umfang des Keimkristalls 4 befindet sich ein Nachheizer 16,
der zum Einen den Keimkristall 4 auf etwa 2000°C aufheizen
soll, was etwas unterhalb dessen Schmelztemperatur von 2040°C ist, und
der zum Anderen für
einen ausreichend kleinen axialen Temperaturgradienten zwischen
Schmelzzone 5 und Aufnahme des Keimkristalls 4 sorgen
soll. Der Nachheizer l6 besteht dabei aus einem mittelfrequenzbeheizten
Iridiumrohr 20, um das herum die Mittelfrequenzspulen 19 angeordnet
sind. Zusätzlich
ist zwischen Nachheizer 16 und Wandung des Prozessbehälters 2 am
Umfang des Keimkristalls 5 bzw. dessen Aufnahme eine Wärmeisolierung
(vgl. 2), z.B. bestehend aus einem Spinell oder Aluminiumoxidrohr,
angebracht, um den axialen Temperaturgradienten entsprechend beeinflussen
zu konnen.
-
Das
untere Ende des Keramikstabes 9 wird durch eine Halterung 10 innerhalb
des Prozessbehälters 2 aufgenommen,
wobei die Halterung 10 durch den Rotations-/Translationsantrieb 13 mit
Geschwindigkeiten von 0–100
min–1 um
die Drehachse 11 rotieren und vertikal von 0–40 mm/h
verfahren werden kann. Der Prozessbehälter 2 ist aus einem
geeigneten gekühlten
Edelstahl gefertigt und schließt
die gesamte Einheit hermetisch von der Umgebung ab. Vor Beginn des
Kristallzuchtprozesses wird der Behälter 2 mit Argon unter
Zusatz von 2 % Sauerstoff geflutet und während der gesamten Kristallzucht
unter dieser Atmosphäre
belassen.
-
Der
Kristallzuchtprozess läuft
nun in der Art ab, dass zunächst
mittels Vorheizer 15, Nachheizer 16 und beheiztem
Band 6 die Schnittstelle zwischen Nährstab 3 und Keimkristall 5 auf
etwa 2000°C
gebracht wird. Im Anschluss daran wird mittels des beheizten Bandes 6 die
Temperatur an der Schnittstelle auf 2100°C erhöht, so dass das Ende des Nährstabs 3 und
des Keimkristalls 4 zu schmelzen beginnen. In dessen Folge
etabliert sich eine 8 mm hohe Schmelzzone 5 zwischen Nährstab 3 und
Keimkristall 4, wobei der Materialkontakt durch die Bohrungen
im beheizten Iridiumband 6 gegeben ist. Nachfolgend werden
simultan der Nährstab 3 und
der Keimkristall 4 mit 1–10 mm/h nach unten verfahren,
so dass immer mehr Material des Nährstabs 3 verflüssigt wird,
dieses durch die Öffnungen
im beheizten Iridiumband 6 auf den Keimkristall 4 gelangt
und dort unter Aufwachsen eines Saphir-Einkristalls erstarrt. Nach Erreichen
der gewünschten
Zuchtlänge,
in unserem Beispiel 150 mm, werden der Nährstab 3 und der gewachsene
Kristall von dem beheizten Band 6 getrennt und langsam
gekühlt,
so dass keine thermischen Spannungen im Kristall eingefroren werden.
-
Nach
Einsetzen eines neuen Nährstabs 3 und
Keimkristalls 4 kann der Prozess von neuem gestartet werden.
Der gezüchtete
Kristall kann nun einer Nachverarbeitung, wie z.B. das Sägen in Wafer und
Beschichten der Wafer zum Zwecke der Herstellung von LED's, unterzogen werden.
-
Somit
kann zusätzlich
zur Widerstandsheizung im Heizstreifen 6 durch den gezielten
induktiven Wärmeeintrag
der Vor- und Nachheizung 15, 16 die Temperatur
radial eingestellt werden. Der zusätzliche induktive Wärmeeintrag
im Heizstreifen 6 kann durch Ändern des Abstands der Heizspulen 17, 19 zum Heizstreifen 6,
durch Variieren der Leistung in den Heizspulen 17, 19,
durch Designvariation des Heizstreifens 6 oder vergleichbare
Maßnahmen
eingestellt bzw. variiert werden.
-
Durch
diese Beheizungsart ist es nun erfindungsgemäß möglich, mittels des FZ-Verfahrens Einkristalle
mit einem Schmelzpunkt > 1500°C und bislang
nicht gekannten Durchmessern von größer 50 mm schnell und spannungsarm
zu züchten.
Dabei sind Kristallzuchtgeschwindigkeiten von 10 mm/h und mehr bei
einem Kristalldurchmesser von 100 mm zu erzielen.
-
Die 2 fasst
die Geometrie der Heizungsanordnung in einem perspektivischen Teilschnitt
zusammen. Dabei sind aus Übersichtlichkeitsgründen der
Nährstab,
der Keimkristall und der Keramikstab und die zugeordneten Halterungen
sowie die Heizspulen weggelassen. Gemäß der 2 umgibt
das obere Rohr 18 den Nährstab
im Bereich der Vorheizung und umgibt das untere Rohr 20 den
Keimkristall und das obere Ende des Keramikstabs im Bereich der
Nachheizung. Die Rohre 18, 20 sind dabei unter geringem
Abstand zu dem rechteckförmigen
Heizstreifen 6 angeordnet. Der Durchmesser der Rohre 18, 20 entspricht
im Wesentlichen der Breite des Heizstreifens 6 oder ist
geringfügig
größer, so
dass der gut wärmeleitende
Heizstreifen 6 von den Rohren 18, 20 im
Bereich der Schmelzzone geschützt
wird. Wie vorstehend beschrieben, sind die Heizspulen entlang dem
Außenumfang
der Rohre 18, 20 angeordnet. Das Material der
Rohre 18, 20 ist so gewählt, dass die von den Spulen
(nicht dargestellt) abgestrahlte Radiofrequenz an die Rohre 18, 20 ankoppelt und
dort Wirbelströme
induziert, die zu einer Erwärmung
der Rohre 18, 20 auf eine durch die Leistung der
angelegten RF- bzw. Mittelfrequenz-Strahlung und die Geometrie der
Anordnung vorgegebene Temperatur führen. Bei den hohen Temperaturen,
die von dem erfindungsgemäßen Verfahren
angedacht sind, spielt die mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur
ansteigende Wärmestrahlung
schließlich eine
dominierende Rolle. Die von den Rohren 18, 20 radial
auswärts
abgestrahlte Wärmestrahlung
erwärmt
den Nährstab
und den Keimkristall sowie das obere Ende des Keramikstabs so, dass
im Ergebnis im Bereich der Vorheizung bzw. der Nachheizung eine
Temperatur knapp unterhalb der Schmelztemperatur des Kristalls erzielt
wird. Wärmestrahlungsverluste
des Nährstabs
und des Keimkristalls sowie des oberen Endes des Keramikstabs können somit durch
die von den Rohren 18, 20 abgegebene Wärmestrahlung
im Wesentlichen kompensiert werden.
-
Um
den Bereich der Schmelzzone noch effektiver abzuschirmen, ist im
Bereich der Vorheizung eine zylindrische Wärmeisolierung 21 vorgesehen, welche
die nicht dargestellte Heizspule umgibt. In entsprechender Weise
ist im Bereich der Nachheizung die zylindrische Wärmeisolierung 22 angeordnet.
Von den zylindrischen Wärmeisolierungen 20, 21 wird
die von den Rohren 18, 20 abgestrahlte Wärmestrahlung
zum Teil reflektiert, so dass der Wirkungsgrad der Vorrichtung verbessert
werden kann und insgesamt eine gleichmässigere Temperaturverteilung
erzielt werden kann. Wenngleich in der 2 dargestellt
ist, dass zwischen den Wärmeisolierungen 21, 22 ein
Ringspalt ausgebildet ist, durch den hindurch sich der Heizstreifen 6 erstreckt,
können
die beiden Wärmeisolierungen 21, 22 nahe
der Längsseite
des Heizstreifens 6 auch miteinander verbunden sein, um
die Längskante
des Heizstreifens 6 noch besser abzuschirmen.
-
Insgesamt
wird die Kristallzuchtvorrichtung gemäß der 2 durch
das Bereitstellen der beiden Rohre 18, 20 und
der Wärmeisolierungen 21, 22 punktsymmetrischer
um die Mitte des Nährstabs bzw.
Keimkristalls. Dennoch verbleibt auf Grund der Rechteckform des
Heizstreifens 6 und dessen Längserstreckung eine Abweichung
zu der idealen Punktsymmetrie, welche zur Kompensation der im Wesentlichen
radial auswärts
gerichteten Wärmestrahlungsverluste
gewünscht
wäre. Eine
bessere Punktsymmetrie kann mit weiteren Maßnahmen, wie nachfolgend anhand
der 3 und 5 bis 7 beschrieben,
erzielt werden.
-
Wie
in der 2 erkennbar, ist die Vorrichtung insgesamt bezüglich der
von dem Heizstreifen 6 aufgespannten Ebene spiegelsymmetrisch,
so dass eine gleichmäßige Erwärmung des
Heizstreifens 6 im Bereich der Schmelzzone für eine Kompensation
von Wärmeverlusten
auf Grund der senkrecht zu dem Heizstreifen 6 erfolgenden
Wärmeleitung
wünschenswert
ist.
-
Die
tatsächlichen
Wärmeverluste
im Bereich der Schmelzzone werden durch die Summe der Wärmeverluste
auf Grund von Wärmeleitung
(im Wesentlichen senkrecht zum Heizstreifen 6) und Wärmestrahlung
(im Wesentlichen radial auswärts
gerichtet) bestimmt. Konvektive Wärmeverluste in dem Behälter der
Vorrichtung können
bei den erfindungsgemäß sehr hohen
Temperaturen praktisch vernachlässigt werden.
Während
die durch Wärmestrahlung
abgeführte
Energie mit der vierten Potenz der Temperatur ansteigt, ist die
Wärmeleitung
im Wesentlichen proportional zur Temperaturdifferenz zur Umgebung. Schwankungen
der Umgebungstemperatur haben deshalb auf Grund der erheblich stärkeren Abhängigkeit
einen größeren Einfluss
auf die Wärmestrahlung. Deshalb
wird erfindungsgemäß versucht,
durch Anlegen eines Heizstroms an den Heizstreifen 6 eine gleichmäßige Grund-Temperaturverteilung
im Bereich der Schmelzzone zu erzeugen und diese Grund-Temperaturverteilung
in geeigneter Weise durch induktiven Wärmeeintrag, erzeugt durch die Heizspulen
der Vorheizung bzw. Nachheizung, gezielt zu modifizieren, um die
Ausbildung von heißeren oder
kühleren
Bereichen in oder nahe der Schmelzzone weitestmöglich zu verhindern. Als Maßnahmen zu
diesem Zweck werden nachfolgend insbesondere Designvariationen des
Heizstreifens, die Variierung der Leistung in den Heizspulen sowie
die Änderung des
Abstandes der Heizspulen zum Heizstreifen erörtert. Diese nachfolgend angeführten Maßnahmen dienen
jedoch nur der beispielhaften Erläuterung. Dem Fachmann werden
beim Studium der nachfolgenden Beschreibung ohne weiteres weitere
gleichwirkende Maßnahmen
ersichtlich werden.
-
Die 4 zeigt
eine simulierte Verteilung des von den Heizspulen in dem Heizstreifen
induzierten Wirbelstroms, wobei die Wirbelstromdichte durch die
Punkt- bzw. Liniendichte repräsentiert
wird. Erkennbar ist, dass die Wirbelstromdichte durch zwei spiegelsymmetrische
Keulen approximiert werden kann, wobei die jeweiligen Keulen im
Bereich der Mitte des Heizstreifens im Wesentlichen radialsymmetrisch
abragen, also optimal an die radiale Geometrie des Nährstabs
und des Keimkristalls angepasst sind. Auch außerhalb der Einbauchungen der
beiden Keulen ist in etwa eine radiale Symmetrie erkennbar, jedoch
kommt es entlang den Längskanten
des Heizstreifens 6 zu gewissen lokalen Überhitzungen
(Hot Spots), die ihre Ursache in der Störung des induzierten Wirbelstroms
durch die Kante des Heizstreifens haben. Denn hier werden die Wirbelströme, die
eigentlich weit außen
fließen
möchten, "um die Ecke" gezwungen, was zur Überhöhung der
Stromdichte führt.
-
Solche
lokalen Überhöhungen der
Wirbelstromdichte können
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
durch eine Erhöhung
des Abstandes der Heizspulen von der geometrischen Mitte der Anordnung
im Bereich der Längskanten
des Heizstreifens 6 kompensiert werden, mit anderen Worten,
durch eine im Wesentlichen ovale bzw. elliptische Grundform der
Heizspulen in Draufsicht. An diesen Bereichen können grundsätzlich auch die Rohre 18, 20 (vgl. 2)
und die Wärmeisolierungen 21, 22 quer zum
Heizstreifen geringfügig
in die Länge
gestreckt sein, können
also diese Elemente ebenfalls eine ovale bzw. elliptische Grundform
in Draufsicht aufweisen.
-
Zur
Erhöhung
der radialen Symmetrie des Heizstreifens kann gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die in den 3a und 3b dargestellt
ist, im Bereich der Schmelzzone ein verbreiterter Bereich 25 ausgebildet
sein, der bevorzugt kreisbogenförmig
von der Längskante
des Heizstreifens 6 abragt. Im Bereich der Ausbauchung
werden die von den Heizspulen induzierten Wirbelströme durch
die Kanten des Heizstreifens weni ger abrupt umgelenkt, so dass stärker erwärmte Stellen
im Bereich der Schmelzzone noch besser vermieden werden können.
-
Die 3a zeigt
eine simulierte Temperaturverteilung in Kelvin, die gut mit tatsächlich beobachteten
Temperaturverteilungen übereinstimmte.
Dabei wurde eine Temperatur der oberen und unteren Wärmeisolierung 21, 22 (vgl. 2)
von 1900°C
angenommen, wobei der Heizstrom durch den Heizstreifen 6 4400
A bei einer Gesamtspannung zwischen den Anschlüssen des Heizstreifens von
2,8 V betragen soll. Die Gesamtlänge
des Heizstreifens 6 betrug in der Simulation 350 mm, die
maximale Breite im Bereich der Ausbauchung 25 115 mm bei
einer maximalen Breite in den übrigen
Bereichen des Heizstreifens 6 von 100 mm. Als Abstand des
Heizstreifens 6 zu den Rohren 18, 20 (vgl. 2)
wurden 5 mm angenommen. Die Simulation ergab für diese beispielhaften Werte
einen zentralen Bereich mit einer Temperatur von etwa 2160°C, der im
Wesentlichen ringförmig
von kühleren
Temperaturbereichen umgeben ist, im Außenbereich mit Temperaturen
von etwa 2060°C bzw.
2030°C,
wie in der 3a gezeigt.
-
Wie
vorstehend ausgeführt,
ist es ein Ziel, in dem Heizstreifen
6 eine möglichst
homogene Temperaturverteilung der durch den Heizstrom erzeugten Joule'schen Wärme zu erzeugen.
Die Temperaturverteilung kann durch weitere Abänderungen der Geometrie und
der Auslegung des Heizstreifens gezielt optimiert werden, insbesondere
durch geeignete Wahl der Durchmesser und der Anordnung der Öffnungen
in dem Heizstreifen
6. In die
3a ist
eine beispielhafte Geometrie von Öffnungen
30–
32 eingezeichnet,
mit kleinen Bohrungen
30 in der Mitte mit Durchmessern
von 2 mm oder weniger, mit mittelgroßen Bohrungen
31 mit
Durchmessern von etwa 3 mm und mit großen Bohrungen
32,
die eine Außenreihe bilden
und einen Durchmesser von etwa 4 mm aufweisen. Durch den Durchmesser
der Bohrungen wird im Ergebnis der effektive Leitungsquerschnitt
des Widerstandsheizstreifens
6 festgelegt. Durch die in
der
3a gezeigte Geometrie und Anordnung der Bohrungen
30–
32 wird
in dem zentralen Bereich des Nährstabs
bzw. Keimkristalls, der durch die äußeren Schichten desselben gegen
Wärmestrahlungsverluste
geschützt
ist, vergleichsweise wenig Joule'sche Wärme erzeugt
und werden durch die Leitungsquerschnitt-Verkleinerungen gezielte
Widerstandsänderungen
des Heizstreifens
6 und somit Zonen unterschiedlichen resistiven
Wärmeeintrags
ausgebildet, was im Ergebnis zu einer weiteren Vergleichmäßigung des
resistiven Wärmeeintrags
(Joule'sche Wärme) führt. Zur
weiteren Erläuterung
des Einflusses der Geometrie und Anordnung der Bohrungen auf den
resistiven Wärmeeintrag
sei aus Übersichtlichkeitsgründen auf
die DE-OS-24 52 215 (
FR 7340668 ) verwiesen,
deren Inhalt zu Offenbarungszwecken ausdrücklich in die vorliegende Anmeldung
mit aufgenommen sei.
-
Der
maximale Temperaturgradient beträgt gemäß der 3a etwa
130°C. Durch
geeignete Geometrie und Anordnung der Bohrungen 30–32 in
dem Heizstreifen 6 kann dieser noch weiter reduziert werden.
In Querrichtung des Heizstreifens 6 beträgt der Temperaturgradient
dabei etwa 100°C.
Durch die Drehbewegung des Nährstabs
und des Keimkristalls wird die Temperaturdifferenz in den äußeren Bereichen
noch weiter erniedrigt.
-
Der
Temperaturgradient in der Schmelzzone kann durch geeignete Wahl
der Temperatur der induktiv geheizten Rohre 18, 20 (vgl. 2)
weiter erniedrigt werden.
-
Die 3b zeigt
die für
die Temperaturverteilung gemäß der 3a verantwortliche
Stromdichte. Dabei beträgt
die mittlere Stromdichte etwa 22 A/mm2,
während
die maximale Stromdichte etwa 45 A/mm2 beträgt. Im Bereich
der Mitte der Schmelzzone beträgt
die mittlere resistive Heizleistung etwa 4,9 kW. Der berechnete
Wärmeleitungsverlust über den
Nährstab
und den Keimkristall beträgt
etwa 1,7 kW.
-
Durch
die vorstehend beschriebenen Ausbauchungen wird die lokale Bildung
von heißeren
Bereichen (Hot Spots) im Bereich der Schmelzzone gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weiter unterdrückt. Die 5 zeigt
die durch die Radiofrequenz in den Heizstreifen eingekoppelte Leistungsdichte
für die
zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Dabei ist der Leistungseintrag in den
Heizstreifen 6 (nicht auf in das untere Rohr 20)
in Form der Leistungsdichte in W/m3 mittels
Höhenlinien
schematisch dargestellt, die Bereiche umranden, die mit den Buchstaben
a–e bezeichnet
sind, wobei in der Konvention der mit dem Buchstaben a bezeichnete
Bereich dem Bereich mit dem höchsten
Leistungseintrag entspricht und der mit dem Buchstaben e bezeichnete
Bereich dem Bereich mit dem niedrigsten Leistungseintrag entspricht.
-
Gemäß der 5 weist
der Heizstreifen 6 eine kreisbogenförmige Ausbauchung 25 im
Bereich der Schmelzzone auf, die bis zum Radius des unteren Rohrs 20 radial
auswärts
gezogen ist. Weil die in dem Heizstreifen 6 induzierten
Wirbelströme
im Bereich der kreisförmigen
Ausbauchung 25 ungehinderter fließen können, werden hot spots vermieden
und ist der induktive Wärmeeintrag
insgesamt symmetrischer. Deutlich erkennbar ist, dass der Bereich
a mit dem höchsten
Leistungseintrag nach außen
hin zu der Ausbauchung 25 verschoben ist, so dass im Innenraum
des unteren Rohrs 20 eine insgesamt homogenere Temperaturverteilung
auf dem Heizstreifen 6 erzielt wird.
-
Gemäß der 6 ist
der induktive Leistungseintrag im Bereich der kreisbogenförmigen Ausbauchung
noch weiter dadurch reduziert, dass an dem dem Heizstreifen 6 zugewandten
unteren Ende des oberen Rohrs 30 ein radial auswärts abragender
Kragen 23 ausgebildet ist, welcher die von der nicht dargestellten
oberen Heizspule abgestrahlte Radiofrequenz teil weise abschirmt.
In der 6 sind mit den Buchstaben a bis f sieben diskrete,
unterschiedliche Bereiche mit verschiedenem Leistungseintrag dargestellt,
in der vorstehend anhand der 5 eingeführten Konvention.
-
Damit
der Kragen 23 an dem unteren Ende des oberen Rohrs 18 nicht
zu viel Leistung aufnimmt, können
mehrere, zueinander beabstandete radiale Schlitze 26 an
dem Kragen 23 ausgebildet sein, wie in der 7 gezeigt.
Selbstverständlich
kann ein entsprechender Kragen auch an dem oberen Ende des unteren
Rohrs 20 (vgl. 2) ausgebildet sein.
-
Wie
der Zusammenschau der 5 bis 7 ohne weiteres
entnommen werden kann, führt die
im Wesentlichen kreisbogenförmige
Ausbauchung des Heizstreifens im Bereich der Schmelzzone zumindest
zu einer weiteren Vergleichmäßigung des
induktiven Wärmeeintrags,
der dann insgesamt zu einer heißen
Linie führt,
die sich entlang der radial auswärts
gewölbten
Außenkante
des Heizstreifens erstreckt, wie in den 5 bis 7 gezeigt.
Durch den gezielten induktiven Wärmeeintrag
können
Wärmestrahlungsverluste
der Schmelzzone effektiver kompensiert werden. Wie der 7 ohne
weiteres entnommen werden kann, ist die Außenkante des Heizstreifens 6 und
somit die dort befindliche Schmelzzone gerade im Bereich des Spalts
zwischen der oberen und unteren Wärmeisolierung 21, 22 (vgl. 2)
exponierter, so dass die daraus resultierenden größeren Wärmestrahlungsverluste
durch den induktiven Wärmeeintrag
gezielter kompensiert werden können.
-
Während die
Geometrie und Anordnung der Bohrungen in dem Heizstreifen nur durch
den Austausch desselben variiert werden kann, kann der induktive
Wärmeeintrag
durch Änderung
der an die Heizspulen angelegten RF-Leistung ohne weiteres variiert
werden. Weitere Maßnahmen
zum Variieren des induktiven Leistungsantrags, die gegebenenfalls auch
während
des Kristallwachstums vorgenommen werden können, sind die Änderung
des Abstandes der beiden Rohre 18, 20 (vgl. 2)
zu dem Heizstreifen 6, die Änderung des Abstandes der Heizspulen
zu dem Heizstreifen 6, die Änderung des Abstandes der oberen
bzw. unteren Wärmeisolierung 21, 22 zu
den Heizspulen bzw. dem oberen und unteren Rohr 18, 20.
Zu diesem Zweck können
in der Kristallzuchtvorrichtung geeignete manuell oder motorisch getriebene
Verstellmechanismen vorgesehen sein.
-
Wie
dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich sein wird, lassen sich mit
dem Verfahren bzw. der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
Saphir-Einkristalle mit hoher Wachstumsgeschwindigkeit entlang der
kristallographischen c-Achse züchten.
Aus solchen Einkristallen können
Substrate durch Sägen
senkrecht zur c-Achse herausgeschnitten werden, beispielsweise zur
Verwendung als Substrat für
optoelektronische Bauelemente, wie beispielsweise LEDs.
-
- 1
- Kristallzuchtvorrichtung
- 2
- Behälter
- 3
- Nährstab
- 4
- Keimkristall
- 5
- Schmelzzone
- 6
- beheiztes
Band
- 7
- Halterung
- 8
- Drehachse
- 9
- Keimkristall-Haltestab
- 10
- Halterung
- 11
- Drehachse
- 12
- Translations-/Rotationsantrieb
- 13
- Translations-/Rotationsantrieb
- 15
- Vorheizung
- 16
- Nachheizung
- 17
- Heizspule
- 18
- Oberes
Rohr
- 19
- Heizspule
- 20
- Unteres
Rohr
- 21
- Obere
Wärmeisolierung
- 22
- Untere
Wärmeisolierung
- 23
- Kragen
des oberen Rohrs 18
- 24
- Kragen
des unteren Rohrs 20
- 25
- Ausbauchung/verbreiterter
Abschnitt
- 26
- Radialer
Schlitz
- 30
- Kleine
Bohrung
- 31
- Mittelgroße Bohrung
- 32
- Große Bohrung