DE2842605C2

DE2842605C2 - Verfahren zum Herstellen von Kristallen hoher Kristallgüte

Info

Publication number: DE2842605C2
Application number: DE2842605A
Authority: DE
Inventors: Georg Dr. 8521 Langensendelbach Müller; Herbert Prof. Dr. 8000 München Weiß
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-09-29
Filing date: 1978-09-29
Publication date: 1983-12-08
Also published as: DE2842605A1; US4267154A

Description

a) die Kristallzüchtungseinrichtung mit einem dreh- und kippbaren Heizofen (2) versehen ist,

b) symmetrisch zum Drehpunkt auf dem Arm (1) eine die dynamische Unwucht ausgleichende Attrappe der Kristallzüchtungseinrichtung angeordnet ist,

c) die Zentrifuge über Keil- oder Zahnriemen mit einem Nebenschlußmotor (4) verbunden ist,

d) der Arm mit einem elektromagnetischen Näherungsschalter (7) zur berührungslosen Drehzahlmessung versehen ist,

e) der Ofen über ein Schleifringsystem (9) mit der Stromversorgung (8) gekoppelt und

f) mit Thermoelementen versehen ist, die über beschleunigungsfeste Verstärker (10; 11) und das Schleifringsystem (9) mit Regel- (12) und Datenerfassungseinheiten (13) verbunden sind.

2. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zum Czochralski-, horizontalen oder vertikalen Zonenschmelz- oder Bridgmanziehen bei Beschleunigungen oberhalb 1 g*.

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Die vorliegende Patentanmeldung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Kristallen hoher Güte aus der Schmelze mit einer Zentrifuge für Beschleunigungen von mehr als 1 g, auf deren horizontalem Arm die Kristallzüchtungseinrichtung angeordnet ist

An die Einkristalle, die insbesondere als Ausgangsmaterial für elektronische oder elektrooptische Bauelemente Verwendung finden, werden sehr hohe Anforderungen in bezug auf ihre Reinheit, Homogenität und Kristallqualität gestellt Bei der Herstellung dieser Kristalle muß deshalb ein besonderes Augenmerk auf die für ihre Entstehung erforderliche Stabilität der Lage der Phasengrenzfläche fest-flüssig gerichtet werden. Des weiteren ist heterogene Keimbildung zu vermeiden. Dies erfordert die Einhaltung von definierten Material- und Wärmeflüssen, die durch Gradienten von Temperatur und Zusammensetzung eingestellt werden. Als Folge dieser Gradienten treten in der Schmelze Dichtegradienten auf, die aufgrund der Schwerkraft zu Konvektionsströmungen führen können. Solche Konvektions-Strömungen können stationär (laminar) oder instationär (oszillatorisch bis turbulent) sein.

Für das Kristallwachstum wirken sich die stationären Strömungen positiv aus, da sie sowohl die Wachstumsgeschwindigkeit als auch die makroskopische Form der Phasengrenze stabilisieren. Außerdem erhöhen sie den Stofftransport, was für Dotierstoffverteilungen und Geschwindigkeiten von Kristallwachstum aus Schmelzen oder Lösungen außerordentlich wichtig ist. Instationäre Konvektion dagegen führt stets zu einer zeitlichen ⁶S Variation der Wachstumsgeschwindigkeit, sowie der Dicke der Diffusionsgrenzschicht. Dies hat zwangsläufig inhomogenes Kristallwachstum zur Folge.

a) die Kristallzüchtungseinrichtung mit einem dreh- und kippbaren Heizofen versehen ist,

b) symmetrisch zum Drehpunkt auf dem Arm eine die dynamische Unwucht ausgleichende Attrappe der Kristallzüchtungseinrichtung angeordnet ist,

c) die Zentrifuge über Keil- oder Zahnriemen mit einem Nebenschlußmotor verbunden ist,

d) der Arm mit einem elektromagnetischen Näherungsschalter zur berührungslosen Drehzahlmessung versehen ist,

e) der Ofen über ein Schleifringsystem mit der Stromversorgung gekoppelt und

f) mit Thermoelementen versehen ist, die über beschleunigungsfeste Verstärker und das Schleifringsystem mit Regel- und Datenerfassungseinheiten verbunden sind.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann die Schwerebeschleunigung sowohl senkrecht zum Temperaturgradienten des Kristallzüchtungssystems als auch parallel dazu erzeugt werden. Die Vorrichtung kann deshalb zum Kristallziehen bei Beschleunigungen oberhalb 1 g* nach Czochralski, zum horizontalen oder vertikalen Zonenziehen oder zum Bridgmanziehen bei Beschleunigungen oberhalb 1 #* verwendet werden.

F i g. 1 zeigt im Prinzip eine Vorrichtung nach der Lehre der Erfindung;

F i g. 2 zeigt im Schnittbild eine Kristallzüchtungseinrichtung, bei dem die resultierende Beschleunigung parallel zur Rohrachse wirkt.

F i g. 1: Auf dem horizontal betriebenen Arm 1 einer Zentrifuge wird als Kristallzüchtungseinrichtung wahlweise ein Mehrzonenofen 2 oder eine Zonenziehvorrichtung montiert Die Kristallzüchtungseinrichtung kann mit ihrer Rohrachse entweder parallel, wie in F i g. 1 und 2 abgebildet, oder senkrecht zur Richtung der Zentrifugalkraft angebracht sein. Symmetrisch zum Drehpunkt auf dem Arm 1 wird eine, in der F i g. 1 nicht dargestellte Ofenattrappe so angebracht, daß die dynamische Unwucht möglichst gering ist

Zur stufenlosen Drehzahländerung und ruckfreien Kraftübertragung wird über eine Regeleinheit 3 ein elektronisch geregelter Nebenschlußmotor 4 verwendet, der die Zentrifuge 1 über Keil- oder Zahnriemen antreibt (siehe Pfeile 5). Die Drehzahlmessung 6 erfolgt berührungslos mit einem elektromagnetischen Näherungsschalter 7. Der Strom 8 zur Versorgung der Kristallziehvorrichtung 2 wird mit einem Schleifringsystem 9 übertragen, so daß die Leistungsversorgung im Labor angeordnet werden kann. Die erforderlichen Regel- (10) und Meßsignale (11) zur Temperaturregelung werden von Thermoelementen geliefert Die Thermospannungen werden mit beschleunigungsfesten Verstärkern 10, 11 auf dem Zentrifugenarm 1 in den Voltbereich verstärkt und dann auch über Schleifringe 9 in die Eingänge von Regel-12 und Datenerfassungseinheiten 13 übertragen. Mittels automatischer Programmsteuerung 14 kann ein im Ofen eingestellter Temperaturgradient in axialer Richtung »verschoben« werden.

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Mit den Bezugszeichen 15 ist die Wasserkühlung der Anordnung bezeichnet, die dafür sorgt, daß der Rohrofen 2 unbeeinflußt vom, durch die Rotation erzeugten Luftstrom bleibt. Die Pfeile 16 markieren die Durchlaufrichtung des Kühlwassers.

Mit der Vorrichtung nach der Lehre der Erfindung können Kristalle von 25 mm Durchmesser und 200 mm Länge bis zu 1000⁰C bei einer 1- bis 36fachen Erdbeschleunigung (g*) gezüchtet werden. Dies gilt sowohl für die Ofenanordnung, bei der der Temperaturgradient senkrecht zur Schwerkraft ausgerichtet ist, als auch für die in F i g. 1 und 2 beschriebene Anordnung, bei der der Temperaturgradient parallel zur resultierenden Beschleunigungskraft eingestellt wird.

Fig. 2: Der Temperaturgradient ist hier der Beschleunigung entgegengesetzt gerichtet Für einen gegebenen Temperaturgradienten im Ofen gibt es einen Bereich der Beschleunigung, in dem eine stabile Konvektion existiert Dieser kann zur. Herstellung hochperfektionierter Kristalle ausgenutzt werden. Das Kristallmaterial, das beispielsweise aus Indium 20 besteht wird in einem einseitig geschlossenen Quarzrohr 21 aufgeschmolzen und mit Stearinsäure 22 überschichtet Das Quarzrohr 21 befindet sich, unterstützt durch ein Quarzwollepodest 23 und mit Abstandshaltern 24 aus Quarzwolle versehen, in einem weiteren Quarzrohr 25, über dessen Länge sich die drei Ofenzonen 26, 27,28 erstrecken. Die Beheizung erfolgt durch eine Widerstandsheizwicklung 29. In der Indiumschmelze 20 befinden sich in einer koaxialen Quarzkapil- ^Μ l.are 30 in unterschiedlicher Höhe und im Abstand von ca. 10 mm voneinander zur Messung des Temperaturgradienten, der stets parallel zur Zentrifugalkraft ausgerichtet ist, zwei Mantelthermoelemente 31 aus Nickel/Nickelchrom, die durch den das Quarzrohr 21 abschließenden Stopfen 32 nach außen geführt sind.

Die Zentrifuge wird zunächst mit langsamer Drehzahl betrieben. Dabei wird das Indium aufgeschmolzen und ein bestimmter Temperaturgradient mit der Ofenheizung eingestellt. Sodann wird die Drehzahl der Zentrifuge in Schritten von lO-'g·* erhöht. Bei zunehmender Beschleunigung können grundsätzlich zwei Fälle auftreten:

1. Der Temperaturgradient nimmt stetig mit steigen- ^Ay der Beschleunigung ab, ohne daß kurzzeitige Temperaturschwankungen, z. B. Oszillationen auftreten.

2. Der Temperaturgradient nimmt kontinuierlich ab bis zu einer gewissen Beschleunigung. Bei weiterer Zunahme der Beschleunigung beobachtet man Temperaturschwankungen. In beiden Fällen kippt bei noch höherer Beschleunigung der Temperaturgradient um, er wird negativ; dabei verschwinden die Temperaturschwankungen.

Ist der Temperaturgradient antiparallel zur Zentrifugalbeschleunigung, so finden sich im gesamten Bereich T g* < B < 36 g* keinerlei Anzeichen eines instationären Temperaturverlaufs. Der Temperaturgradient bleibt unabhängig von der Beschleunigung Astabil.

Daraus ergibt sich, daß durch den Abbau des Temperaturgradienten mit zunehmender Zentrifugalbeschleunigung der konvektive Wärmetransport ansteigt. Da bei der Verwendung dotierter Halbleiterschmelzen (z. B. von Indiumantimonid mit Tellur dotiert) keine Dotierungsstreifen (striations) in "den erstarrten Kristallen bei metallographischen Untersuchungen gefunden werden, kann angenommen werden, daß die Beschleunigung auf die Ausbildung der Phasengrenzfläche flüssig/fest und damit auch auf den radialen Temperaturgradienten stabilisierend einwirkt. Außerdem treten mit zunehmender Beschleunigung größere einkristalline Bereiche auf.

Als weiteres Beispiel sei auch das Problem der Kristallisationsgeschwindigkeit bei Lösungszüchtungen genannt. Durch die mit der Vorrichtung nach der Lehre der Erfindung gewonnenen Erkenntnisse ergeben sich insbesondere auch für · Weltraumversuche wichtige Voraussagen.

Auf der Erde sind die Geschwindigkeiten bei der Herstellung von z. B. Galliumarsenid- oder Kadmiumtellurid-Kristallen nach der sogenannten Travelling Heater-Methode in der Größenordnung von einigen Millimeter/Tag. Das ist wirtschaftlich uninteressant. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es jedoch möglich, infolge erhöhter Konvektion eine wesentlich höhere Wachstumsgeschwindigkeit mit einer hohen Perfektion des Kristallgitters zu erhalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Herstellung von Kristallen hoher Güte aus der Schmelze mit einer Zentrifuge für Beschleunigungen von mehr als 1 g*, auf deren horizontalem Arm die Kristallzüchtungseinrichtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt,

besteht in der Herstellung von Kristallen hoher Kristallgüte aus Schmelzen, bei eier eine starke, gut definierte, konvektive Strömung angeregt und zeitlich konstant gehalten wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, welche erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß