DE2325104A1

DE2325104A1 - Verfahren zum zuechten kristalliner koerper

Info

Publication number: DE2325104A1
Application number: DE2325104A
Authority: DE
Inventors: Harold E Labelle
Original assignee: Tyco Laboratories Inc
Current assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Priority date: 1972-07-10
Filing date: 1973-05-17
Publication date: 1974-01-24
Also published as: JPS5147432B2; GB1374065A; NL7305454A; FR2191943B1; IT979997B; BE799237A; DE2325104C3; BR7303955D0; DE2325104B2; CH575777A5; FR2191943A1; JPS4953176A; US3870477A; CA998922A

Description

TYCO LABORATORIES, IUO. Waltham,' Massachusetts, V.St.A.

Verfahren zum Züchten kristalliner .'Körper

Die Erfindung bezieht sich auf das Züchten kristallinischer Körper mit einem vorbestimmten Querschnitt und betrifft insbesondere Verbesserungen bezüglich der bekannten Verfahren, die in den U.S.A.-Patentschriften

¹ ι

3 591 348 und 3 4?1 266 beschrieben sind.

In der U.S.A.,-Patentschrift 3 591 348 ist ein Verfahren zum Züchten kristallinischer Körper nach einem Verfahren beschrieben, bei dem Kanten oder Ränder, welche die Form des Körpers bestimmen, festgelegt sind, und bei dem das zu züchtende Material in Form eines Films zugeführt wird; bei diesem Verfahren, das der Einfachheit ' halber in Anlehnung an seine englische Bezeichnung als EFG-Verfahren bezeichnet wird, wird die Form des zu züchtenden kristallinischen Körpers durch die Außen- oder Kantenform der Stirnfläche eines zur Formgebung dienenden Bauteils bestimmt', das in Ermangelung einer besseren Bezeichnung als Werkzeug bezeichnet wird. Bei diesem Verfahren geht das Züchten eines kristallinischen Körpers von einem Kristallkeim aus, dem weiteres Material aus einem flüssigen Film zugeführt wird, der sich zwischen dem wachsenden Kristallkörper und der Stirnfläche des Werkzeugs befindet; hierbei wird der den Film bildende Flüssig-

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keitsvorrat kontinuierlich aus einem eine Schmelze enthaltenden Behälter über ein oder mehrere Kapillarbohrungen ergänzt, mit denen das Werkzeug versehen ist. Wenn man die Ziehgeschwindigkeit des wachsenden Kristallkörpers und die' Temperatur des Flüssigkeitsfilms entsprechend regelt, kann man erreichen, daß sich der Film unter dem Einfluß der Oberflächenspannung an seinem Rand über die gesamte Stirnfläche des Werkzeugs ausbreitet, bis er den bzw. jeden Rand dieser Stirnfläche erreicht, welche durch eine Ebene bestimmt wird, die eine oder mehrere Seitenflächen des Werkzeugs schneidet; Der Schnittwinkel zwischen diesen Flächen des Werkzeugs ist in Beziehung zum Berührungswinkel zwischen dem flüssigen Film und der Stirnfläche des Werkzeugs so gewählt, daß die Oberflächenspannung des flüssigen Materials ein Überlaufen des Materials über den bzw. jeden Rand der Stirnfläche des Werkzeugs verhindert. Dieser Schnittwinkel ist. vorzugsweise ein rechter Winkel, denn ein solcher Winkel läßt sich in der einfachsten Weise herstellenj und er erweist sich in der Praxis als der zweckmäßigste« Der gezüchtete Körper nimmt eine Form an, die der Grundrißform des flüssigen Films entspricht, der sich seinerseits der Form der Kanten oder Ränder an der Stirnfläche des Werkzeugs anpaßt. Da bei dem flüssigen Film eine Außenkante in der gleichen Weise zur Wirkung kommt wie eine Innenkante an der Stirnfläche des Werkzeugs, kann,man den kristallinischen Körper so züchten, daß er mit einer durchgehenden Öffnung versehen wird; zu diesem Zweck kann man die Stirnfläche des Werkzeugs mit einem Sackloch versehen, dessen Querschnittsform der Querschnittsform der Öffnung entspricht, welche der zu züchtende Körper erhalten soll; hierbei ist jedoch vorausgesetzt, daß jedes derartige Loch in der Stirnfläche des Werkzeugs so große Abmessungen haben muß, daß die Oberflächenspannung des Filmmaterials nicht bewirken kann, daß sich -der Film über der Mündung des Lochs bzw. der öffnung ausbreitet.

Bei dem Verfahren nach der U.S.A.-Patentschrift 5 471-266 wird ein Werkzeug benutzt', das eine Kapillare

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abgrenzt, in der sich in Form einer Säule eine Schmelze' befindet, aus der ein kristallinischer Körper gezüchtet und gezogen werden soll·. Wenn man die Querschnittsform der Kapillare entsprechend wählt und die thermischen Bedingungen im oberen Ende der Säule entsprechend regelt, welche die Schmelze in der Kapillare bildet, ist es möglich, kristalline Körper aus bestimmten Stoffen zu züchten, deren Querschnittsform nach Bedarf gewählt werden kann. Beispielsweise is~t es mit Hilfe eines Werkzeugs, das eine ringförmige Kapillare aufweist, möglich, einen Körper mit •der Form eines.Rohrs zu züchten. Wenn·-die Kapillare einen runden Querschnitt hat, kann man ferner eine runde Stange bzw. einen runden endlosen Faden züchten. Hierbei wird das Werkzeug so angeordnet, daß die Kapillare in.Verbindung mit einer Pfütze steht, die durch einen Vorrat des geschmolzenen Materials gebildet wird,"so daß sich die Kapillare ständig spontan auffüllt. Dieses Verfahren wird gelegentlich auch als "SFT-Verfahren" bezeichnet, wobei diese Bezeichnung für die Benutzung eines sich selbsttätig füllenden Kapillarrohrs zum Züchten von Stangen oder endlosen Fäden gilt. ' ·

Die beiden vorstehend geschilderten Verfahren ermöglichen das Züchten von Rohren aus Alphaaluminiumoxid zur Verwendung als Umschließungen oder Kolben bei der Herstellung von Hochtemperatur-Natriumdampflampen. Hierbei ist-'es aus verschiedenen Gründen und insbesondere zur Vermeidung von Schwierigkeiten beim dichten Verschließen der Enden der Rohre erforderlich, daß der Außendurchmesser der Rohre innerhalb relativ enger Toleranzen genau eingehalten wird. In einem typischen Fall soll ein solches Rohr z.B. einen Außendur.chmesser von etwa 9)5 ™ erhalten, der mit einer Genauigkeit von +0,075 mm eingehalten v/erden muß.

-Bei den vorstehend geschilderten Verfahren lassen sich die Ziehgeschwindigkeit und die Temperatur an-der Kristallisationsfläche innerhalb relativ weiter Grenzen

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verändern, ohne daß das Kristallwachstum unterbrochen wird, und ohne daß sich eine größere Veränderung bezüglich der Querschnittsform des wachsenden Körpers ergibt. Jedoch können Änderungen der Ziehgeschwindigkeit und der Temperatur an der Kristallisationsfläche zu einer Veränderung der Querschnittsabmessungen des zu züchtenden Körpers führen. Es ist relativ leicht, die Ziehgeschwindigkeit konstant zu halten. Daher ist es üblich, sobald das Wachstum des kristallinen Körpers mit der gewünschten Form eingesetzt hat, die Ziehgeschwindigkeit auf den gewünschten festen Wert einzustellen und die Temperatur in der Kristallisationszone durch Verändern der Wärmezufuhr so einzustellen bzw. zu regeln, daß ein Körper mit den gewünschten-Abmessungen, entsteht. Hierbei erweist es s'ich jedoch als Schwierig, den wachsenden Körper zu überwachen und seine Abmessungen innerhalb der vorgeschriebenen Toleranzgrenzen zu halten. Beim Züchten eines Eohrs aus Alphaaluminiumoxid zur Verwendung als Lampenkolben besteht außerdem die Gefahr, daß die äußere Umfangsflache in einem geringen Ausmaß unrund wird, so daß das Rohr praktisch eine ovale Form erhält und einen größten und einen kleinsten Durchmesser aufweist. Zwar ist der Unterschied zwischen dem größten und dem kleinsten Durchmesser relativ klein, d.h. er beträgt in typischen Fällen nicht mehr als etwa 0,025' mm bei einem Rohr mit einem Außendurchmesser von etwa,9»5 mm, doch macht es das Auftreten eines solchen Unterschiedes erforderlich, die Betriebsparameter genau zu regeln und insbesondere die Temperatur der Kristallisationszone auf den richtigen Wert einzustellen, damit die Abweichungen bezüglich der Abmessungen des Rohrs in möglichst engen Grenzen gehalten werden. Jedoch ist es schwierig, eine genaue Messung der Temperatur an der Trenn-r fläche zwischen dem festen und dem flüssigen Material mit Hilfe einer Einrichtung durchzuführen, deren Benutzung den Wachstumsvorgang nicht stört. Zwar würde es naheliegen, als Gerät zum Messen der Temperatur ein optisches Pyrometer zu benutzen, doch wegen der Anordnung und der rela-

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tiv geringen Größe der Kristallisationszone bestellt die Gefahr, daß das Emissionsvermögen des Werkzeugs in dem Werkzeug gegebenenfalls zugeordneter Strahlungsabschirmungen dazu führt, daß das Pyrometer falsche Werte anzeigt» Jedoch selbst dann, wenn das Pyrometer die Temperatur der Schmelze im Bereich der Kristallisationszone genau mißt_s bedeutet eine Änderung der Temperatur nicht notwendiger-" weise, daß sich der Außendurchmesser des zu züchtenden Bohrs verändert hat₃ denn eine Änderung- der Temperatur kann durch eine Änderung der Ziehgeschwindigkeit ausgeglichen werden, so daß der lußendurchmesser des Rohrs tatsächlich unverändert bleibte Ferner, ist es auch dann_s wenn die genaue Temperatur der Kristallisationszone und die Ziehgeschwindigkeit bekannt sind₈ für die Bedienungsperson unmöglich, genau, fest zustell en₈ ob sich der Außendurchmesser des wachsenden Rohrs innerhalb der Toleranzgrenzen hält oder die Ober- oder Untergrenze überschreitet, und daher kann die Bedienungsperson -nicht wissen, ob die Temperatur geändert werden muß und in welcher Richtung sowie in welchem Ausmaß eine Temperaturänderung erforderlich ist. Ist die Temperatur'der Kristallisationszone zu hoch_s erhält das Rohr einen kleineren Durchmesser; ist die Temperatur der Kristallisationszone dagegen zu niedrig, können in dem Erzeugnis Spannungen und Korngrenzen entstehen, und die Schmelze kann beginnen^ zu erstarren und sich,mit dem Werkzeug fest zu verbinden. Noch größere Schwierigkeiten ergeben sich dann₂ wenn mehrere gleichartige kristalline Körper gleichzeitig mit .der gleichen Geschwindigkeit mit Hilfe verschiedener Werkzeuge gezogen werden^ die von der gleichen Schmelze aus gespeist werden«, Das Messen der Temperatur der Kristallisationszone an einem einzigen Werkzeug würde selbst dann, wenn es sich genau durchführen ließe5 nicht genügen, um die Temperatur bei allen übrigen Werkzeugen.festzustellen, denn eines der Werkzeuge könnte sich auf einer höheren oder einer niedrigeren Temperatur befinden als die übrigen Werkzeuge.

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Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Überwachen und Regeln des Kristallwachstums zu schaffen, das es ermöglicht, die äußeren Abmessungen des zu züchtenden Körpers und insbesondere den Außendurchmesser eines rohrförmigen Körpers innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen zu halten. Ferner sollen durch¹ die Erfindung die in den U.S.A.-Patentschriften 3 591 348 und 3 471 266 beschriebenen Verfahren dadurch verbessert werden, daß ein Verfahren geschaffen wird, das es ermöglicht, das Kristallwachstum zu überwachen und die Querschnittsabmessungen des wachsenden Körpers im wesentlichen konstant zu halten. -

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß.der Erfindung auf optischem Wege die Höhe bzw. die Dicke eines gewählten Teils der Schmelze im Bereich der Kristallisationszone überwacht, und die Betriebsbe'dingungen_s insbesondere das Ausmaß der Wärmezufuhr und damit auch die Temperatur an der Grenzfläche so zu regeln, daß die Höhe bzw. die Dicke des gewählten Teils der Schmelze im wesentlichen konstant; gehalten wird, .

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine einen Tiegel und ein'Werkzeug umfassenden Baugruppe_s aus dem das Züchten eines kristallinen Rohrs nach dem genannten EFG-Verfahren ersichtlich ist;

Fig. 2 eine Fig. 1 ähnelnde, jedoch verkleinerte Darstellung einer Tiegel- und Werkzeugbaugruppe zum Züchten eines kristallinen Rohrs nach dem erwähnten SFT-Verfahren;

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 2, in dem das Züchten eines kristallinen Rohrs nach dem SFT-Verf ahren dargestellt ist;

Fig. 4 eine teilweise als senkrechter Schnitt und

teilweise als Ansicht^g^ge^iph/ipie Darstellung einer einem

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Kristallzüchtungsofen zugeordneten optischen Einrichtung zum Überwachen des Xristallwachstums; und

Fig. 5 den Grundriß einer Tiegel- und Werkzeugbaugruppe mit vier Werkzeugen der in Fig» 1 dargestellten .Art, die als Bestandteil der Vorrichtung nach Fig. 4 benutzt wird.

Die Verfahren nach den U.S.Aο-Patentschriften 5 591 348 und J 471 266 sind beide dadurch gekennzeichnet, daß sich ein durch die Schmelze gebildeter Meniskus zwischen einem Rand des Werkzeugs oder Formgebungsteils und der Kristallisationszone erstreckt. Wird ein fester Körper z.B» in Form einer Stange oder eines endlosen Fadens gezüchtet, ist nur ein einziger Meniskus vorhanden. Wird ein Hohlkörper, ζ..B. ein rundes Rohr gezüchtet, sind zwei Menisken vorhanden, und zwar einer auf der Außenseite und einer auf der Innenseite; hierauf wird im folgenden näher eingegangen. Gemäß der Erfindung wurde festgestellt, daß sich sowohl die Höhe des Meniskus als,auch seine konkave Form in Abhängigkeit von Änderungen bezüglich der Betriebsbedingungen ändern kann_o Eine noch wichtigere Tatsache besteht darin, daß die Höhe des Meniskus durch die Temperatur der Schmelze in der Kristallisationszone sowie durch die Ziehgeschwindigkeit beeinflußt wird und gemäß der Erfindung wurde festgestellt, daß innerhalb gewisser Grenzen der Außendurchmesser eines Rohrs oder eine massiven Stange abnimmt, wenn die Höhe des äußeren Meniskus zunimmt, bzw. daß sich der Durchmesser vergrößert, wenn die Höhe des äußeren Meniskus abnimmt/Ferner ist zu bemerken, daß der Innendurchmesser eines rohrförmigen Erzeugnisses zu- bzw. abnimmt, wenn sich die Höhe des äußeren Meniskus vergrößert bzw. verkleinert. Weiterhin hat es sich gezeigt, daß sich schon eine relativ kleine Änderung bezüglich des Außendurchmessers des Rohrs oder der Stange in einer relativ großen prozentualen Änderung der Höhe des Meniskus auswirkt. Im Hinblick hierauf besteht der Grundgedanke der Erfindung darin, anstelle der Temperatur an der Wachstums-

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zone auf direktem Wege die Höhe des Meniskus zu messen und das Meßergebnis zu benutzen, um zu bestimmen, auf welche Weise die Wärmezufuhr verändert werden muß, um bei · einem Rohr oder einer massiven Stange einen im wesentlichen konstanten Außendurchmesser zu erzielen. Das gleiche"Verfahren läßt sich anwenden, um Erzeugnisse zu züchten, die eine andere Form haben, z.B. flache Bänder oder Streifen, die genau vorbestimmte,Abmessungen erhalten sollen. Weitere , Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung·

Pig. 1 zeigt die Tiegel-, und Werkzeugbaugruppe, die beim Züchten eines rohrförmigen Körpers mit Hilfe des Verfahrens nach der U.S.A.-Patentschrift 3.591 384 benutzt wird« Zu dieser Baugruppe gehört ein Tiegel 2, der ein Formgebungsteil bzw. eine Werkzeugbaugruppe 4 enthält, die durch eine runde Stange 6 gebildet wird, welche an ihrem oberen'Ende., mit einem sich längs ihrer Achse. er*- streckenden Sackloch 8 von- runder Querschnittsform versehen ist, so daß die Stange eine ringförmige Stirnfläche aufweist. Die Stange 6 besteht aus einem Werkstoff, das sich durch die Schmelze benetzen läßt und mit der Schmelze weder reagiert.noch die Schmelze löst. Der Durchmesser des Sacklochs bzw. der Vertiefung 8 muß so groß sein, daß die.Mündung am oberen Ende durch den nocht zu beschreibenden Film 20 dicht verschlossen wird. Alternativ kann man die Öffnung 8 so "ausbilden, daß sie sich über die ganze Länge der Stange 6 erstreckt, so daß ihr offenes unteres Ende in der von-dem Tiegel 2 aufgenommenen Schmelze mündet. Ist dies der Fall, muß der Durchmesser der öffnung so groß sein, daß die Öffnung niclrtr infolge der Kapillarwirkung mit der Schmelze gefüllt wird.

Außerdem weist die runde Stange 6 mehrere sich in der Längsrichtung erstreckende Bohrungen 12 von kleinem Durchmesser auf, von denen in Fig. 1 nur zwei sichtbar sind, die im- wesentlichen in gleichmäßigen Winkelabständen um die Achse der Stange verteilt sind, und die solche Abmes-

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- sungen haben, daß sie bezüglich, der Schmelze 14 in dem . Tiegel 2 als Kapillarrohre wirken. Die Stange 6 ist an einer Platte 16 befestigt, die sich an einer Schulter 18 am oberen Ende des Tiegels 2 abstützt. Hierbei ist die Stange. 6 in einer zentralen öffnung der Platte 16 so befestigt,

-daß sie nach oben gegenüber der Platte längs einer kleinen Strecke vorspringt, Das untere Ende der Stange 6 ist in einem Abstand vom Boden des. Tiegels 2 angeordnet.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 wird in einen Kristallzüchtungsofen eingebracht, wie" er z.B. in den vorstehend genannten U.S.A«-Patentschriften beschrieben ist, und.eine Charge aus dem zu verarbeitenden Material wird in den Tiegel eingetragen und zum Schmelzen gebracht. Sobald das Matrial schmilzt, steigt es in den Kapillarrohren 12 infolge der Kapillarwirkung nach oben. Somit enthält praktisch jedes Kapill'arrohr eine aus der Schmelze gebildete Säule. Die Querschnittsabmessungen der Kapillaren 12 und die Länge der Stange 6 sind vorzugsweise so gewählt, daß bei einer bestimmten Schmelze, die z.B. aus Aluminiumoxid besteht, die Kapillarwirkung ausreicht,' um die Schmelze zu veranlassen, die Kapillaren vollständig zu füllen^ solange die Standhöhe der Schmelze 14- in dem Tiegel 2 derart ist, daß das untere Ende der Stange 6 in die Schmelze eintaucht. . .

• Die Wahl der Werkstoffe für den Tiegel und das Werkzeug bzw. die Werkzeugbaugruppe ric'htet sich nach der Zusammensetzung der Schmelze. Besteht die Schmelze z.B. aus Aluminiumoxid, werden der Tiegel, und die Werkzeugbaugruppe vorzugsweise aus Molybdän oder Wolfram hergestellt. _'

Bei der Anwendung des Verfahrens nach der U.S.A.Patentschrift 3 591 348 emtsteht auf der oberen Stirnfläche 10 des Werkzeugs"6 aus der Schmelze ein Film 20, der die Stirnfläche 10 überdeckt und sich der Grundrißform der Stirnfläche anpaßt; bezüglich der Form der Stirnfläche bleiben .die Mündungen der Kapillaren 12 unberücksichtigt. Man,kann den Film 20 dadurch erzeugen, daß man einen

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Kristallkeim in Berührung mit der Schmelze in einer der Kapillaren 12 bringet und die Temperatur der Schmelze' in den Kapillaren sowie' die Ziehgeschwindigkeit des K_ri_stalls so einregelt, daß sich an. dem Kristallkeim ein Kristallwachstum abspielt, und daß beim Hochziehen des Kristallkeims die Oberflächenspannung der Schmelze bewirkt, daß die Schmelze in Berührung mit dem Kristallkeim bleibt, so daß sich die Scgmelze aus der betreffenden Kapillare heraus nach oben bewegt und sich auf der oberen Stirnfläche 10 ausbreitet,- um den Film 20 zu bilden. Sobald dies geschieht, breitet sich das Kristallwachstum in seitlicher Richtung aus, so 'daß die ganze· Stirnfläche von dem Film 20 'bedeckt wird, und sich das Kristallwachstum an allen Punkten innerhalb des waagerecht angeordneten Films abspielt, so daß der wachsende Körper eine Querschnittsform erhält, die der Form der Fläche 10 entspricht. Ein alternatives und bevorzugtes Verfahren zum Erzeugen des Films besteht darin, daß man einen Kristallkeim und vorzugsweise

einen Kristallkeim, dessen Querschnittsform der Form der Fläche 10 entspricht, in Berührung mit der Fläche bringt und den Kristallkeim so lange in Berührung mit der Stirnfläche hält, daß er schmilzt und die Stirnfläche 10 überdeckt und in Verbindung mit der in der "bzw. jeder Kapillare enthaltenen Schmelze kommt. Hierauf wird der Kristallkeim mit einer bestimmten Geschwindigkeit nach oben bewegt, während sich der durch die Schmelze gebildete Film auf einer ,solchen Temperatur befindet, daß sich das Kristallwachstum an dem·Kristallkeim an allen Punkten innerhalb der Trennfläche zwischen dem Kristallkeim und dem Film 20 abspielt;. Mit Hilfe der Vorrichtung nach Fig, 1 ist es somit möglich, einen kristallinen Körper in Form eines Rohrs 22 zu züchten.

Gemäß Fig. 1 ist der durch die Schmelze gebildete Film 20 dadurch gekennzeichnet, daß an seinem äußeren Rand ein Meniskus 24· und an seinem inneren Rand ein Meniskus 26 ^v vorhanden ist. Jeder der beiden Menisken erstreckt sich zwischen einem Rand der oberen Stirnfläche 10 des Werkzeugs

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und der Wachs turns zone, und er ist konkav,, d.h.- die beiden Menisken sind gemäß Fig. 1 nach innen aufeinander zu ge- :. ■ krümmt.. In der Praxis ist es unmöglichj den inneren Meniskus 26 während des Kristallwachstums zu beobachten, und daher wird nur der äußere Meniskus gemessen, um eine Basis zum Überwachen und Regeln des Außendurchmessers des zu züchtenden Rohrs 22 zu schaffen. Wie erwähnt, verändert sich die Höhe "h -ebenso wie die Krümmung des Meniskμs 24, wenn man die Ziehgeschwindigkeit und/oder die Temperatur des Films 20 ändert, und sowohl der Innendurchmesser als auch der Außendurchmesser des entstehenden Rohrs 22 ändert sich bei einer Änderung der Höhe des Meniskus» Insbesondere · tritt eine Vergrößerung des Innendurchmessers und eine Verkleinerung des Außendurchmessers des entstehenden Rohrs auf, wenn die Höhe des Meniskus 24 zunimmt, und es ergibt sich eine Verkleinerung des Innendurchmessers sowie eine Vergrößerung des Außendurehmessers, wenn sich die Höhe des Meniskus vergrößert« Jedoch wird sowohl.der kleinste Innendurchmesser als auch der größte Außendurchmesser des wachsenden Körpers durch den entsprechenden Durchmesser der Stirnfläche 10 bestimmt, denn der durch die Schmelze gebildete Film 20 kann sich nicht über den inneren und den äußeren Rand der Stirnfläche 10 hinweg ausbreiten.

Wird die Temperatur des-Films 20 im wesentlichen konstant gehalten, führt eine Erhöhung der Ziehgeschwindigkeit zu einer Vergrößerung der Höhe des Meniskus 24, bzw. die Höhe die-ses ^Meniskus verringert sich, wenn man die Ziehgeschwindigkeit herabsetzt. Wird die·Ziehgeschwindigkeit !constant gehalten, führt eine Steigerung der Temperatur des Films 20 zu einer Vergrößerung der Höhe des ^1Vleniskus, während eine Herabsetzung der Temperatur eine Verkleinerung der Höhe des Meniskus bewirkt. Da es relativ leicht ist,-die Ziehgeschwindigkeit im wesentlichen konstant zu halten, z.B. mit einer Genauigkeit von etwa 1% des Sollwertes, und da die Höhe des Meniskus durch kleine Änderungen der Ziehgeschwindigkeit relativ wenig beeinflußt wird, da z.B. eine Änderung der Ziehgeschwindigkeit bei konstanter

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Filmtemperatur um 1% im wesentlichen nicht zu einer Änderung der Höhe des Meniskus führt, wird es vorgezogen, die Ziehgeschwindigkeit konstant zu halten und die Höhe des Meniskus durch die Regelung der Zufuhr von W$rme zu bewirken, so daß praktisch die Temperatur des Films, 20 geregelt wird, wobei angenommen ist, daß die Wärmeverluste durch Strahlung, Leitung usw. konstant bleiben.

Fig. 2 zeigt einen Tiegel 30 mit einer darin angeordneten Werkzeugbaugruppe 32 zum Züchten eines rohrförmigen Körpers mit Hilfe des Verfahrens nach der schon genannten U.S.A.-Patentschroft 3 471 266. Zu dem Werkzeug 32 gehört eine Platte 34, die sich am Boden des Tiegels 30 abstützt, und außerdem ist ein rundes Rohr 36 vorhanden, das konzentrisch einer massiven Stange 38 angeordnet ist und diese Stange in einem Abstand umgibt. Die Teile des Kapillarwerkzeugs bestehen aus einem Werkstoff, der sich mit der Schmelze benetzen läßt, jedoch mit der Schmelze weder reagiert noch sie löst. . "

Das Rohr 36 und die Stange 38 sind in dazu passende Vertiefungen der Platte 34 eingeschweißt. Das untere Ende des Rohrs 36 ist mit Schlitzen oder Bohrungen 40 versehen, die Einlaßöffnungen bilden, über die die Schmelze aus dem Tiegel 30 in den Ringraum 42 zwischen dem Rohr und der Stange eintreten kann.- Der radiale Abstand zwischen der · Stange 38 und der Innenfläche des Rohrs 36 ist so gewählt, daß der Ringraum 42 bezüglich der Schmelze 44 in dem Tiegel als■Kapillarrohr zur Wirkung kömmt. Das obere Ende des · Rohrs 36 ist gemäß Fig. 2 mit einer Abschrägung 46 versehen, so daß es einen scharfen oberen Rand oder eine Kante aufweist. Das -obere Ende der Stange 38 besitzt gemäß Fig. 2 eine konische Aussparung 48, so daß auch an dieser Stelle eine scharfe Obe-rkante vorhanden ist. Die oberen Stirnkanten des Rohrs 36 und der Stange 38 liegen auf gleicher Höhe, und die Hohe der Kapillarrohrbaugruppe ist so gewählt, daß bei einem bestimmten radialen Abstand zwischen der Stange und der Innenwand des Rohrs eine Kapillar-

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wirkung auftritt, die die Schmelze 44 veranlaßt, in dem Kapillarrohr nach oben zu steigen und das Kapillarrohr vollständig zu füllen, solange die Menge der Schmelze in dem Tiegel 30 ausreicht, um die Einlaßöffnungen 40 im eingetauchten Zustand zu halten. Gemäß Fig. 2 ist der Tiegel $0 mit einer Abdeckung 50 versehen, die eine zentrale öffnung aufweist₃ welche" das obere Ende der Kapillarrohrbaugruppe aufnimmt, das gemäß-Fig. 2 gegenüber der Oberseite der Abdeckung längs einer kleinen Strecke vorspringt. Die Abdeckung 50 bildet einen"Strahlungsschutz für die Schmelze 44. ' ,

Die Wahl der Werkstoffe für den Tiegel, das Werkzeug und die Abdeckung richtet sich nach der Zusammensetzung der Schmelze. Besteht die Schmelze z.B. aus Alphaaluminiumoxid, bestehen diese Bauteile vorzugsweise aus Molybdän oder Wolfram.

Die Vorrichtung nach Fig» 2 wird an einem Kristallzüchtungsofen angeordnet, wie er z.B_o in der U.S.A₀-Patentschrift 3 471 266 beschrieben ist, gemäß welcher eine Charge aus dem zu verarbeitenden Material in den Tiegel eingetragen und zum Schmelzen gebracht wird, um zu bewirken, daß die Schmelze die Kapillare 42 ausfüllt» Das Kristallwachstum wird dadurch eingeleitet daß ein Kristallkeim in die durch die Schmelze 52 in der Kapillare gebildete Säule,eingeführt wird, und daß die Wärmeverteilung im ■ oberen Ende der Säule 52 so eingestellt wird, daß ein Kristallwachstum auftritt, das sich fortsetzt, wenn der Kristallkeim mit einer nicht zu hohen Geschwindigkeit nach oben gezogen wird,, Nimmt man an, daß der Kristallkeim nicht den gleichen ringförmigen Querschnitt hat wie die Kapillare, breitet sich das Kristallwachstum in waagerechter Richtung über den gesamten ringförmigen Querschnitt' der aus der Schmelze gebildeten S.äule 52 aus, so daß das gezüchtete Erzeugnis die Form des in Fig. 3 gezeigten Rohrs annimmt. Natürlich könnte man auch ein vorher gezüchtetes Rohr, das solche Abmessungen hat_s daß es sich in die

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Schmelze 52 in der Kapillare einführen läßt, "bei der Vorrichtung nach Fig.*2 als Kristallkeim verwenden.

Pig. 3 zeigt in einem größeren Maßstab die sich bei der Vorrichtung nach Pig. 2 ausbildende Wachstumszone und läßt erkennen, auf welche Weise sich diese Wachstumszone gemäß der Erfindung überwachen läßt. Wird der Wachsende Kristallkörper 5^- bzw. der Kristallkeim nach oben gezogen, veranlaßt die Oberflächenspannung die die Säule 52 bildende Schmelze, daran zu haften und sich gegenüber den Oberkanten der Werkzeugbaugruppe nach oben zu bewegen. Das Kristallwachstum spielt sich an allen Punkten innerhalb des oberen Endes der durch die.Schmelze gebildeten Säule ab, was auf die Wirkung der Oberflächenspannung zurückzuführen ist, und die Schmelze bildet an jeder Oberkante der ringförmigen Kapillare einen äußeren Meniskus 56 und einen inneren Meniskus 58. Die beiden Menisken erstrecken sich jeweils von der betreffenden Oberkante der· Werkzeugbaugruppe zu der Wachstumszone. Diese Menisken haben eine ähnliche Form wie die in Pig. 1 gezeigten Menisken 24 und 26. -

Das Kristallwachstum spielt sich an allen Punkten innerhalb der Übergangszone zwischen dem Kristall- und der Schmelze ab, die gemäß Fig. 3 sowohi innerhalb der ringförmigen Kapillare als auch oberhalb der Kapillare verläuft. ,Wie in der U.S.A.-Patentschrift 3 4?i 266 beschrieben, wird die Form des gezüchteten Körpers durch die Temperatur und die Temperaturgradienten .im oberen Ende der durch die Schmelze gebildeten Säule bestimmt, und die Temperaturgradienten richten sich nach der Porm der Kapillarbaugruppe. Ferner wird die ^uerschnittsform des zu züchtenden Körpers durch die Ziehgeschwindigkeit und die Temperatur der durch die Schmelze gebildeten Säule beeinflußt. " _ ■ .

Ebenso wie bei dem Verfahren nach Fig. 1 hat es sich gemäß der Erfindung gezeigt, daß sich die Höhe des äußeren

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Meniskus 56, d.h. gemäß Fig.^ 3 die Strecke h, nach der Ziehgeschwindigkeit und der Temperatur am oberen Ende der durch die Schmelze gebildeten Säule, d.h. der Wachstumszone richtet, und daß der Außendurchinesser des wachsende-n Eohrs umso kleiner und der Innendurchmesser des Rohrs umso größer, wird, je größer die Höhe h des Meniskus 56 wird. Je kleiner umgekehrt die Höhe h des Meniskus wird, desto größer wird der Außendurchmesser und desto kleiner wird der Innendurchmesser des gezüchteten Rohrs»-

.Bei beiden vorstehend beschriebenen Verfahren wirkt' sich schon eine relativ kleine.Änderung des Außendurchmessers des entstehenden rohrförmigen Körpers in einer relativ großen Änderung der Meniskushöhe h.aus. Wählt man z.B. die Abmessungen der Kapillarbaugruppe nach Fig. 2 und 3 bzw. des Werkzeugs nach Fig» 1 und -die für den Wachstumsvorgang maßgebenden Parameter derart_s daß es möglich ist, aus Saphir ein Rohr mit einem Außendurchmesser von 9»5 +Oj075 hub. zu züchten, bewirkt unter Annahme einer konstanten Zie-hgeschwindigkeit eine Änderung der Temperatur in der V/achstumszone, d.h. an dem äußeren Meniskus 56? um etwa 30° C, -ändert sieh der Außendurchmesser des Rohrs um etwa +0,075 ram, wobei die Änderungsrichtung davon abhängt, ob diese Temperatur erhöht oder gesenkt wird, und hierbei ändert sich die Höhe des_Meniskus, die gewöhnlich etwa 0,178 mm.beträgt, je nach der Ziehgeschwindigkeit um ^ 60% bis 100%. Da sich die Höhe des Meniskus sehr genau, d.h. bis zu einer Genauigkeit von etwa 0,0127 mm, messen läßt, ist es leicht möglich, den Einfluß der Zufuhr von Wärme auf die Höhe des Meniskus zu ermitteln, so daß man die Zufuhr von Energie zu der Tiegelheizeinrichtung des Ofens so einregeln kann, daß sich relativ genaue schrittweise Änderungen der Meniskushöhe ergeben; auf diese Weise ist eine genaue Regelung des Außendurchmessers des zu züchtenden Rohrs möglich..

Beispielsweise läßt sich die Höhe des Meniskus genau mit Hilfe eines'Mikroskops messen, bei dem im Brennpunkt dot, Okuiars eine Surichplatte vorhanden ist; jedoch be-

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■ schränkt sich, die Erfindung nicht "auf die Benutzung eines solchen Mikroskops, d.h. man könnte zum Messen der Me-

. niskushöhe auch andere optische Vorrichtungen bekannter Art benutzen.

Bei dem bevorzugten Verfahren nach der Erfindung zum Züchten von Rohren für Lampen stellt 'die Bedienungsperson die Zufuhr von Wärme zu der Heizeinrichtung des Ofens so

■ ein, daß der Beobachtete Meniskus auf einer Höhe gehalten wird, bezüglich welcher durch Betriebsversuche unter Anwendung der gleichen konstanten Ziehgeschwindigkeit festgestellt worden ist, daß ein Kristallkörper gezüchtet wird, dessen Außendurchmes'ser innerhalb der vorgeschriebenen Toleranzgrenzen li-egt. Im Gegensatz zur Anwendung direkter Temperaturmessungen ist es der Bedienungsperson durch das Messen der Meniskushöhe möglich, festzustellen, ob der Außendurchmesser des gezüchteten Eohrs der Obergrenze oder der Untergrenze des Sollwertes für den Außendurchmesser benachbart ist, so daß sie' die Wärmezufuhr entsprechend regeln kann, um den Meniskus erforderlichenfalls anders einzustellen, so daß der Außendurchmesser des Rohrs innerhalb des vorgeschriebenen Toleranzbereichs gehalten oder bei dessen Überschreitung in diesen Bereich zurückgeführt wird. Da das Rohr möglicherweise eine leicht ovale Querschnittsform annimmt, besteht das bevorzugte Verfahren darin, daß die beobachtete Meniskushöhe auf einem Wert gehalten wird, bei; dem Gewähr dafür besteht, daß sowohl der größte als auch der kleinste Außendurchmesser des Rohrs innerhalb der Ober- und Untergrenzen .des -Toleranzbereichs

'liegen.

Die beiden in den genannten U.S.A.-Patentschriften beschriebenen Verfahren bieten den Vorteil, daß es möglich ist, mehrere kristalline Körper von gleicher oder unterschiedlicher Querschnittsform gleichzeitig zu züch-, ten, wenn man mehrere ähnliche oder verschiedenartige Formgebungsteile oder Werkzeuge in einem gemeinsamen Tiegel und einer gemeinsamen Ziehvorrichtung anordnet. Die vor-

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liegende Erfindung erleichtert das gleichzeitige Züchten von Kristallkörpern, z.B_o von Rohren, derart_s daß der Außendurchmesser jedes einzelnen Körpers innerhalb der vorgeschriebenen Toleranzgrenzen gehalten wirdo Bei dieser" Verfahrensweise wird nur einer der verschiedenen zu züchtenden Körper optisch überwacht,, um die Höhe des Meniskus zu ermitteln, und die Zufuhr von Energie zu der Heizeinrichtung des Ofens wird so eingeregelt, daß die Meniskushöhe· der überwachten Wachstumszone auf einem Wert gehalten wirdj bei dem Gewähr dafür besteht,, daß der an dieser Wachstumszone gezüchtete Körper einen Außendurchmesser erhält, der etwa in der Mitte zwischen den vorgeschriebenen Ober- und Untergrenzen liegt₉ so daß Z₀-B₀" ein Außendurchmesser von 9^5 nun, angestrebt wird, wobei der größte Außendurchmesser um etwa O₅075 mm größer und der kleinste Durchmesser um etwa O₉075 mm kleiner ist_o Bei der Anwendung dieses Überwachungsverfahrens hat es sich gezeigt;, daß auch die übrigen gezüchteten Körper Außenabmessungen erhalten, die innerhalb des vorgeschriebenen Toleranzbereichs liegen_o "

Figo 4- zeigt, auf welche Weise sich ein Öfen der in den genannten U₀S₀A₀-Patentschriften beschriebenen Art abändern läßt, um eine optische Überwachung und Messung der Meniskushöhe mit Hilfe einer Mikroskopanordnung zu ermöglichen.» Zwar ist' in Figo 4· ein Ofen dargestellt, bei dem in einem Tiegel mehrere Werkzeugbaugruppen angeordnet ' sind, um das gleichzeitige Züchten mehrerer kristalliner Körper nach dem beschriebenen EFG-Verfahren zu ermöglichen, doch ist" zu bemerken, daß man diese Tiegel- und Werkzeugbaugruppe auch" durch eine Baugruppe ersetzen könnte, die es ermöglicht, kristalline Körper nach dem beschriebenen SFT-Verfahren zu züchten«

Gemäß Fig., 4- und 5 sowie gemäß den genannten UoS₀Ao =· Patentschriften ist ein Tiegel 2 in einer Ofenumschliefiung angeordnet, zu der zwei durch einen Abstand getrennte Quarzrohre 60 und 62 gehören, die einen am oberen und unteren Ende abgeschlossenen Ringraum abgrenzen, άμΓοϊι den

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Kühlwasser geleitet wird, um die Quarzrohre auf einer gefahrlosen Temperatur zu halten, und um außerdem Infrarot-.energie zu absorbieren, damit die Bedienungsperson das Wachstum des Erzeugnisses leichter beobachten kann.« Die durch den Tiegel unterstützte Platte 16 trägt drei Werkzeugbaugruppen 4a, 4b und 4c der in Figo 1 dargestellten Art sowie gemäß Fig. 4 ein hohles Füllrohr 59 s.das aus dem gleichen Werkstoff besteht wie die Werkzeug'baugruppen* Das untere Ende des Füllrohrs 59 endet in einem kleinen Abstand vom Boden des Tiegels 2_? während sein oberes Ende über die Tragplatte 16 hinausragt. Ferner ist ein Zuführungsrohr 6Ί aus Quarz oder einem anderen hitzebeständigen Werkstoff vorhanden, das durch'die beiden Rohre 60 und 62 des Ofens ragt und gegenüber diesen Rohren abgedichtet ist. Das untere Ende der Zuführungsleitung 61 steht in Fluchtung mit dem oberen Ende des Füllrohrs 59» jedoch nicht in Berührung damit«, Das Füllrohr 59 und die Zuführungsleitung 61 dienen dazu, die Schmelze in dem Tiegel 2 zu ergänzen, ohne daß es erforderlich ist, das Kristallwachstum zu unterbrechen«, Ein rohrförmiger Körper wird aus einem durch die Schmelze gebildeten Film gezüchtet_s der sich auf der oberen Stirnfläche jeder der Werkzeugbaugruppen befindet, die in der anhand von Fig. 1 beschriebenen Weise ausgebildet sind, und von denen in Fig. 4 nur die Baugruppe 4c sichtbar ist_s wo man auch das Füllrohr 59 erkennt.

Gemäß der Erfindung ist ein kurzes Stück eines durchsichtigen Quarzrohrs 64 in miteinander fluchtende Öffnungen in den Rohren 60 und 62 des Ofens eingebaut und gegenüber diesen Rohren abgedichtet,, damit kein Kühl- wasser aus dem Kühlmantel entweichen kann. Das innere Ende des Rohrs 64 ist geschlossen^ während sein äußeres- Ende durch eine Stirnwand 66 abgeschlossen ist,, damit aus dem Ofen nicht das gewöhnlich vorhandene inerte Gas entweichen kann, bzw. damit es möglich ist, in dem Ofen einen Unterdruck aufrechtzuerhalten«, Das Rohr 64 ist von dem Ofen aus so nach oben geneigt, daß sich seine Achse in Richtung; auf

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das obere Ende einer der drei Werkzeugbaugruppen, z.B. der Werkzeugbaugruppe 4c, erstreckt« ' ·

Die hier nicht dargestellte, dem Ofen nach Fig. 4 zugeordnete Ziehvorrichtung ist mit. einer Ziehstange -69 versehen, die der Ziehstange 32 entspricht, welche in Fig. 1 der U.S.A.-Patentschrift 3 471 266 dargestellt ist. An der Ziehstange ist ein Kristallkeimhalter ?O befestigt, an dem sich Kristallkeime in einer bestimmten Anzahl, z.B. im vorliegenden Fall drei Kristallkeime 72 befestigen lassen. Jeder der drei Kristallkeime, von denen in Fig. 4 nur einer sichtbar ist, wird mit Hilfe des Halters 70 in senkrechter Fluchtung mit der betreffenden der drei Werkzeugbaiig'ruppen 4a bis 4c gehalten» Der Kriatallkeimhalter 70 weist einen Schlitz 73 auf, der so breit ist, daß er die Zuführungsleitung 61 aufnehmen kann, so daß die Zuführungsleitung die Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Halters 70 nicht behindert.

Zum Betrachten und Messen des Meniskus der gewählten Werkzeugbaugruppe während des Kristallwachstums dient ein Mikroskop 74, das auf einem Halter 76 angeordnet ist, der -verstellbar mit einer ortsfesten Unterstützung 78 verbunden ist, welche vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise einen Bestandteil des Ofens bildet oder an einem ortsfesten Teil des Ofens angebracht ist. Beispielsweise', ,jedoch nicht ausschließlich, ist es möglich^ ein Stereomikroskop zu benutzen. Hierbei ist es wichtig, daß das Mikroskop mit einer Strichplatteneinrichtung versehen ·' ist, die es in der" beschriebenen Weise ermöglicht, die Höhe des Meniskus genau zu messen. In Fällen, in denen die E_rfindung angewendet wird, wird vorzugsweise ein Mikroskop benutzt, das als Modell 562B-LI unter der Bezeichnung "Stereostar Zoom" von der American Optical Company, Instrumental Division, Buffalo, N.Y., U.S.A. hergestellt wird, und das mit Okularen für eine zehnfache "Vergrößerung ausgerüstet ist, wobei in eines der Okulare eine Etriehplatte. mit einer linearen Teilung oder eine Gkularplatte eingebaut

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-ist, z.B. die von der vorstehend genannten Parma hergestellte Scheibe mit der Katalognummer 1428, bei der 200 Teilstriche vorhanden sind,deren Abstände bei zweifacher ' Vergrößerung Jeweils- 0,0254- mm betragen. Die Okular scheibe wird so eingestellt, daß die Skala als senkrechtes Bild erscheint, und das Mikroskop wird auf das Rohr 64 so ausgerichtete, daß die Skala auf den zu überwachenden und zu messenden Meniskus fokussiert wird* -.

Bei den anhand von Fig. 1 und 3 beschriebenen Verfahren wächst der kristalline Körper aus einer durch die Schmelze gebildeten Pfütze, die eine Fortsetzung der durch die Schmelze in der Kapillare gebildeten Säule bildet, und die Pfütze ist durch mindestens einen Meniskus gekennzeichnet, der sich von der Wachstumszone aus zu einem der oberen Ränder der die Kapillare abgrenzenden Bauteile erstreckt. Bei der Anordnung nach Fig. 1 wird die Pfütze durch den Film 20 gebildet, die obere Stirnfläche 10 der Stange 6 überdeckt, und der Meniskus 24 erstreckt sich vom äußeren Rand der Stirnfläche 10 nach oben zum äußeren Rand der Wachstumszone. Zwar kann man die Höhe des Meniskus regeln, indem man die temperatur des Films und/oder die. Ziehgeschwindigkeit entsprechend variiert, doch bewirkt die Oberflächenspannung, daß das untere Ende des Meniskus im wesentlichen am Rand der Stirnfläche 10 verbleibt, obwohl sich die Meniskushöhe h innerhalb gewisser Grenzen ändern kann. Jedoch tritt eine Änderung der Krümmung des Meniskus ein, d.h. sein Krümmungsradius wird kleiner, wenn die Höhe h zunimmtr. Das gleiche gilt -für den Meniskus Bei dem Verfahren nach Fig. 3 ist die durch die Schmelze gebildete Pfütze nicht so scharf abgegrenzt, doch wird sie durch den oberen Teil der aus der Schmelze gebildeten Säule 52 gebildet, der die Übergangszone zu dem wachsenden Körper bildet, und hierzu gehört insbesondere der Teil der durch die Schmelze gebildeten Säule, der durch die beiden Menisken 56 und 58 abgegrenzt wird. Hierzu sei bemerkt, daß die Wachstumszone oder Trennfläche eine in Fig. 3 angedeutete sich nach unten verjüngende Form oder eine erheblich

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flachere Form annehmen.-kann» Die Trennfläche oder übergangszone neigt dazu_$ eine weniger stark verjüngte Form anzunehmen, wenn die radiale Abmessung der Kapillare abnimmt, was offenbar darauf zurückzuführen ist, daß in der Pfütze eine gleichmäßigere Temperatur herrscht, und eine entsprechende Änderung der Form der Übergangszone tritt ein, wenn die Ziehgeschwindigkeit erhöht wird.

Zwar dienen die Formgebungsteile oder Werkzeuge nach Fig. 1 bis 3 zum Züchten rohrförmiger-Körper, doch ist zu bemerken, daß sich die beschriebenen EFG- und SFT-Verfahren im Rahmen der Erfindung auch zum Herstellen anderer Erzeugnisse benutzen lassen, z.B. zum Erzeugen von Stangen, endlosen Fäden, Bändern usw,, und daß ohne·Rücksicht auf die Querschnittsforn des zu züchtenden Körpers die ,durch die Schmelze gebildete Pfütze stets durch mindestens einen Meniskus gekennzeichnet ist» Bei massiven Stäben, Fäden und Bändern ist nur ein einziger Meniskus auf der Außenseite der durch die Schmelze gebildeten Pfütze vorhanden. Beim Züchten rohrförmiger Körper, die keine runden Rohre bilden, z.B. bei Hohlkörpern mit einem rechteckigen, quadratischen oder dreieckigen Querschnitt, entstehen ebenfalls sowohl ein innerer als auch ein äußerer Meniskus.

Wie ebenfalls aus den vorstehend genannten U.S.A.Patentschriften ersichtlich, lassen sich die EFG- und SFT-Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung anwenden, um kristalline Körper aus den verschiedensten Materialien zu züchten; hierbei'gehören unter anderem Aluminiumoxid bzw. Saphir, Rubin, Bariumtitanat, Berylliumoxid,, Titan- " · dioxid, Chromoxid (CrpO,), Lithyumniobat, Lithyumfluorid (LiF), CaIciumfluorid (CaFp) sowie Natriumchlorid. Die so hergestellten Erzeugnisse sind monokristallin oder können aus zwei bis vier zusammengewachsenen Kristallen bestehen. , " ;

Im folgenden wird ein spezielles Beispiel beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten bezüglich der Anwendung der Erfindung ergeben.

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Zur Durchführung des EFG-Verfahrens wird eine im ..wesentlichen gemäß Fig. 4 und 5 ausgebildete Werkzeuganordnung aus Molybdän in einem Tiegel aus Molybdän angeordnet, und der Tiegel wird mit einem Vorrat aus festen Teilchen von Aluminiumoxid mit einem hohen Reinheitsgrad von über 99% gefüllt. Die Werkzeuganordnung wird zusammen mit dem Tiegel in einen Kristallzüchtungsofen eingebracht, wie er in den vorstehend genannten TJ₈S.A.-PatentSchriften beschrieben ist. Gemäß Fig. 4 wird der Tiegel 2 auf kurzen Stangen 80 aus Wolfram in einem zylindrischen, aus Kohlenstoff hergestellten Wärmeaufnehmer 82 montiert, der seinerseits von einer Stange 84 aus Wolfram getragen wird, welche in die nicht dargestellte Grundplatte des Ofens so eingebaut ist, wie es in den genannten U.S.A.-Patentschriften beschrieben ist. Die Außenfläche des Wärmeaufnehmers aus Kohlenstoff wird mit einer zylindrischen Strahlungsabschirmung'85 bewickelt, bei der es sich um einen aus Kohlenstoff hergestellten Soff handelt, Zu dem Ofen gehört eine Hochfrequenzheizspule 36j die so angeordnet wird, daß sie den Wärme aufnehmer 82 aus Kohlenstoff in der aus Fig. 4 ersichtlichen Weise umgibt«

Die drei Werkzeugbaugruppen 4a. bis 4c sind sämtlich von gleicher Konstruktion, Jede Baugruppe besteht ebenso wie die Platte 16 und das Füllrohr 59 aus Molybdän, und die Zuführungsleitung 61 ist aus Aluminiumoxid hergestellt. Bei der Anordnung nach Fig. 1 und 4 hat die ringförmige obere Stirnfläche 10 jeder Kapillarrohrstange 6 einen Außendurchmesser von etwa 9»6 mm und einen Innendurchmesser (öffnung 8) von etwa 7»9 mm, während jede der Kapillaren 12 einen Durchmesser von etwa 0,3 mm hat. Der Tiegel 2 hat im Inneren eine Tiefe von etwa 38 mm, und sein Innendurchmesser beträgt ebenfalls etwas 38 mm. Jede Stange 6 hat eine Gesamtlänge von etwa 35 mm, und sein unteres Ende befindet sich in einem Abstand von etwa 3,2 mm vom Boden _v ' des Tiegels. Die oberen Enden der Stangen 6 ragen über die Oberseite der Platte 16 um etwa 1,6 mm hinaus. Das Füllrohr 59 hat einen Außendurchmesser von etwa 9»6 mm und einen

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Innendurchmesser von etwa 8,25 ^m₉ ή®& ©.a hat-eine solche Länge, daß sein unteres Ende durch einen Abstand von etwa. ■ 3,2 mm' vom Boden des Tiegels getrennt ist; das obere'Ende des Füllrohrs ragt über die Oberseite ,der Platte 16 um etwa 1₉6 mm nach oben hinaus»

An dem Halter 70 werden drei gleichartige Kristallkeime 72. befestigt, bei denen, es sich tun im wesentlichen monokristalline Bohre aus Aluminiumoxid handelt, die vorher mit Hilfe der gleichen Tiegel- und Kapillaranordnung gezüchtet worden sind. Durch' den Wassermantel, der durch die Quarzrohre 60 und 62 gebildet; ist, wird Kühlwasser geleitet j und die Ofenumschließung 88 wird evakuiert und dann bis auf einen Druck von etwa i bar mit Argon gefüllt. Der Hochfrequenzheizspule 86 wirä. ein Wechselstrom von 500 kHz zugeführt, und der Ofen wird so betrieben, daß die Charge aus Aluminiumoxid in dem Tiegel 2 zum Schmelzen gebracht wird, und die Oberseite gedes Werkzeugs eine mittlere Temperatur annimmt, die ¹Um etwa 10° bis 20° C über dem Schmelzpunkt des Alumisiurnoxids liegt. Sobald· das Aluminiumoxid geschmolzen ist₃ steigt es in den Kapillaren 12 hoch, die vollständig gefüllt werden. Hierauf wird die Zieheinrichtung des Ofens betätigt,, um die drei Kristallkeime zu senken und sie in Berührung mit' den oberen Stirnflächen 10 der drei WerkzeuganordBnngen 4a bis 4c zu brin-•gen.

Man läßt die Kristallkeime etwa 5 bis 10 see lang in. Berührung mit den Werkzeugen; während dieser Zeit werden die unteren Enden der Kristallkeime zum Schmelzen gebracht, so daß sie Filme 20 nach Fig. 1 bilden, die an den'Stirnflächen 10 anliegen und sie im wesentlichen vollständig überdecken. Hierbei verbindet sich in jedem Fall der Film 20 mit den durch die Schmelze gebildeten Säulen in den Kapillaren 12. Hunmehr -wird die Zieheinrichtung so betätigt, daß die drei rohrförmigen Kristallkeime mit einer Geschwindigkeit von etwa 6,4 "bis 5,1 mm/min nach oben bewegt werden. Das anfängliche Hochziehen der Kristall-

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keime ist von einer Erstarrung von geschmolzenem Material aus der Schmelze begleitet, das den Filmen entnommen wird, und wenn die Kristallkeime weiter nach oben bewegt werden, spielt sich am unteren Ende jedes Kristallkeims ein Kristallwachstum ab. Zwar wird durch dieses Kristallwachstum an den Kristallkeimen den Filmen 20 .Material entnommen, doch wird dieses Material ständig dadurch ergänzt, daß den Filmen über die Kapillaren weiteres geschmo.lzenes Material zugeführt wird. ,

Während an jedem der drei Kristallkeime Kristalle wachsen, wird der Meniskus 24 des Films 20 auf der oberen Stirnfläche der Kapillareinheit 4c auf optischem Wege in der aus Fig. 4 ersichtlichen Weise mit Hilfe eines Stereomikroskops beobachtet, bei dem es sich um das weiter oben genannte Modell handelt, und das mit Okularen und einer Okularscheibe gemäß der weiter oben gegebenen Beschrei- · bung ausgerüstet ist. Es ist erwünscht, die Höhe des Meniskus 24 annähernd in der Mitte zwischen den 'Grenzwerten von etwa 0,1 und etwa 0,28 mm zu halten. Während die Kristalle wachsen, wird daher die Zufuhr von elektrischer Energie zu der Hochfrequenzheizspule 86 variiert, um die Temperatur der aus der Schmelze gebildeten Filme-20 zu erhöhen oder zu senken, damit die Höhe des Meniskus 24 bei der Einheit 4c nach Bedarf vergrößert oder verkleinert wird. Die Ziehgeschwindigkeit wird während des Kristallzüchtungsvorgangs konstant auf dem genannten We-rt gehalten.. Dem Tiegel 2 wird periodisch über die Zuführungsleitung 61 und das Füllrohr 59 weiteres pulverförmiges Aluminiumoxid zugeführt, um den Materialvorrat in dem Tiegel zu ergänzen.. Der Züchtungsvorgang wird etv/a 4 Stunden lang fortgesetzt, und dann wird die Ziehgeschwindigkeit auf etwa 25,4 mm je Stunde erhöht, damit sich die wachsenden Kristalle von den durch die Schmelze gebildeten Filemn 20 trennen. Schließlich wird die Zufuhr von Strom zu der Heizspule 86 beendet, und man läßt den Ofen abkühlen. Dann werden die 'Kristallkeime und die gezüchteten Eohre von dem Halter ?ö abgenommen.

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Die gemäß diesem Beispiel gezüchteten kristallinen Körper sind rohrförmig und im wesentlichen monokristalliru Ferner haben die Körper im wesentlichen an allen Punkten über ihre ganze Länge einen Durchmesser von etwa 9»5 mm, der nur um höchstens etwa 0,075 mm über- oder unterschritten wird. · ..

Man kann die Vorteile, welche die Erfindung bietet, leicht nachweisen, wenn man das Verfahren nach dem vorstehend beschriebenen Beispiel auf zwei. Weisen abändert. Die erste Abänderung besteht darin, daß zwar das gleiche Verfahren angewendet wird, daß. jedoch einerseits die Höhe des Filmmeniskus nicht" gemessen wird, und daß andererseits die Zufuhr elektrischer Energie zu der Hochfrequenzheizspule während des Kristallwachstums konstant auf dem Wert gehalten wird, von dem es sich anfangs gezeigt hat, daß ,er ausreicht, um die Temperatur der oberen Stirnfläche des Werkzeugs auf einen.Wert zu bringen, der um etwa 10° bis 20° C über dem Schmelzpunkt von Aluminiumoxid liegt. Die zweite Abänderung besteht darin, daß zwar das gleiche Verfahren wie bei dem beschriebenen Beispiel angewendet wird, daß jedoch einerseits die Höhe des Filmmeniskus nicht gemessen wird, und daß andererseits die Temperatur am Rand des Films ständig mit einem optischen Pyrometer gemessen wird, und daß die Zufuhr elektrischer Energie zu der Hochfrequenzheizspule so eingeregelt wird, wie es erforderlich ist, um die scheinbare Temperatur am Kand des Films auf einem Wert zu halten, der um etwa 10° bis 20° C über dem Schmelzpunkt von Aluminiumoxid liegt.

Bei der ersten Abänderung besteht die Gefahr, daß in den später gezüchteten Teilen der Kristallkörper Spannungen und Korngrenzen erscheinen, und daß häufig das Kristallwachstum vorzeitig unterbrochen wird, da die Schmelze, auf der Stirnfläche des Werkzeugs erstarrt. Ferner ergeben sich erhebliche-Abweichungen des Außendurchmessers der Kristallkörper vom Sollwert. Diese Schwierig- ■ keiten sind darauf zurückzuführen, daß die Temperatur .-■·-:■-.

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des durch die Schmelze gebildeten Films in beiden Eichtungen infolge unvermeidlicher Stabilitätsabweichungen des Systems um bis zu 20° G variieren kann, und daß die Temperatur des geschmolzenen Films dazu neigt, zurückzugehen, wenn der gewachsene Kristall langer wird und sich der Vorrat des geschmolzenen Materials in dem Tiegel verringert.

Bei der zweiten beschriebenen Abänderung werden zwar die Schwierigkeiten, die auf das Entstehen von Spannungen und Korngrenzen sowie eine vorzeitige Beendigung des Züchtungsvorgangs infolge des Erstarrens der Schmelze auf dem Werkzeug zurückzuführen sind, auf ein Mindestmaß verringert, doch variiert der Außendurchmesser der erzeugten Rohre, und die Abweichungen des Außendurchmessers an verschiedenen Punkten längs und desselben Rohrs vom Sollwert überschreiten regelmäßig den Betrag von etwa 0,075 mm, und außerdem weisen nicht alle drei Rohre den gewünschten Außendurchmesser von etwa 9>5 +0,075 rom auf."Wie erwähnt, hat dies seine Ursache darin, daß Änderungen des Emissionsvermögens das Pyrometer veranlassen, fehlerhafte Werte anzuzeigen, und daß die Bedienungsperson anfänglich nicht erkennen kann, oh das aus dem PiIm gezogene, mit Hilfe des Pyrometers überwachte Rohr einen Außendurchmesser von genau 9>5 mm hat, oder ob dieser V/ert näher bei der oberen Abweichung von 0,075 · oder näher bei der unteren Abweichung von 0,075 mm liegt. Somit bietet die vorstehend beschriebene Erfindung den Vorteil, daß sich eine größere Ausbeute an brauchbaren Erzeugnissen erzielen läßt, insbesondere dann, wenn mehrere Erzeugnisse gleichzeitig gezüchtet werden sollen, bei denen die gleichen engen Toleranzen eingehalten werden wie bei dem beschriebenen Beispiel.

Es dürfte naheliegend sein, daß es gegebenenfalls möglich ist, die Erfindung in der Weise anzuwenden, daß die Temperatur an der Trennfläche zwischen dem festen und ^v dem flüssigen Material im wesentlichen konstant gehalten wird, und-daß ..die Ziehgeschwindigkeit variiert wird, um

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die Höhe des Meniskus 2Pt bzw. bei dem SFT-Verfahren des , ' Meniskus 56 innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen zu halten, so daß die Erzeugung von Körpern gewahrleistet ist, die im wesentlichen konstante Außenabmessungen haben, welche' .innerhalb des vorgeschriebenen Toleranzbereichs liegen.

An st) rü ehe:

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Claims

A N S P R Ü C H E

1. Verfahren zum Züchten eines kristallinen Körpers aus einem gewählten Material derart, daß der Körper in Richtung seiner Längsachse über eine unbestimmte Strecke eine vorbestimmte Querschnittsform erhält, bei dem Iv'iaßnahmen durchgeführt werden, um den kristallinen Körper zu züchten und ihn-gegenüber einer Materialpfütze aus geschmolzenem Material zu ziehen, die über ein mit einer oder mehreren Kapillaren versehenes Bauteil ständig aus einem Vorrat des geschmolzenen Materials ergänzt wird, und bei dem die durch die Schmelze gebildete Pfütze durch das Vorhandensein eines senkrechten Meniskus gekennzeichnet ist, der sich zwischen dem übergang zu dem kristallinen Körper und einem Rand des Bauteils erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Meniskus optisch überwacht wird,-und daß nach Bedarf mindestens die Ziehgeschv.'indigkeit des kristallinen Körpers oder die Zufuhr von>Wärme 'zu der durch die Schmelze gebildeten Pfütze so eingeregelt wird, daß die Höhe des Meniskus innerhalb vorbestimmter Grenzen gehalten wird, um zu bewirken, daß der kristalline Körper so gezüchtet, wird bzw. so wächst, daß er über seine ganze Länge im wesentlichen konstante Querschnittsabmessungen erhält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Züchten _des kristallinen. Körpers dienende., aus der Schmelze gebildete Pfütze eine Umrißform hat, die der gewählten Quersciinittsform des zu züchtenden Körpers entspricht.

3« . Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mit einer oder mehreren Kapillaren versehene Bauteil eine im wesentlichen wacirx·recht

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angeordnete obere Stirnfläche aufweist, deren Grundrißform der gewählten Querschnittsform des zu züchtenden Körpers entspricht, und daß die durch die Schmelze gebildete Pfütze die Form eines Films hat, der die obere Stirnfläche überdeckt, und bei dem der Meniskus einen Rand dieses Films bildet.

M-. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Schmelze gebildete Pfütze eine Verlängerung einer aus der Schmelze gebildeten Säule ist, welche sich in' einer Kapillare des Bauteils befindet. . ^v

5- Verfahren nach Anspruch 4-, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das mit einer oder mehreren Kapillaren versehene Bauteil eine im wesentlichen waagerecht angeordnete obere Stirnfläche -aufweist, und daß die durch die Schmelze gebildete Pfütze ein die Stirnfläche überdeckender Film ist.

6. Verfahren nach-Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil eine Kapillare aufweist, die von der durch die Schmelze gebildeten' Säule ausgefüllt wird, und daß "die durch die Schmelze gebildete Pfütze im wesentlichen die gleiche Querschnittsform hat wie die Kapillare. · -

7- ' Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit, mit der der kristalline Körper gezogen wird, im wesentlichen konstant gehalten wird.

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