DE4004328A1

DE4004328A1 - Single crystal grown in larger, charged drops of soln. - suspended with less deformation by electrostatic field and ultrasonic standing wave field

Info

Publication number: DE4004328A1
Application number: DE19904004328
Authority: DE
Inventors: Ernst-Guenter Dr Lierke; Rudolf Grossbach; Wolfgang M Heide; Klaus-Dieter Luehmann
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Antec 65779 Kelkheim De GmbH
Priority date: 1989-11-06
Filing date: 1990-02-13
Publication date: 1991-05-08
Also published as: DE4004328C2

Abstract

The single crystal growth, by evapn of solvent from a drop of the dissolved material, is carried out while the drop is held motionless in an ultrasonic standing wave field. The feature is that the drop has been charged electrically and that an electrostatic field is : superimposed. Initially the drop is suspended by just the ultrasonic field, and later the electrostatic field is added. The magniture of both fields is adjustable. The equipment used to carry out the process includes an ultrasonic transducer and a non-conductive reflector at some distance from it, which also contains a convex electrode embedded in it or a ringshaped one surrounding it. The reflector also features a central cavity to improve the stability of positioning. The chamber in which the evapn takes place pref contains a quantity of the solvent in order to control the vapour pressure using temp difference or concn difference of a dissolved salt, for a controlled evapn rate. This sovlent is pref available on the open bottom plane of the chamber. USE/ADVANTAGE - The addn of the electrostatic field allows larger drops to be suspended without causing deformation. It also makes the positioning of the droplet easier. The process consists of bringing a droplet into the ultrasonic field through an injection needle. Then the charge is applied and the electrostatic field adjusted.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Züchten von Kristallen, vorzugsweise von Einkristallen, durch Verdunsten eines Lösungs mittels aus einem Tropfen, der das Lösungsmittel und die Substanz, aus der der Kristall gezüchtet werden soll, enthält, wobei der Tropfen berührungslos in einem stehenden Ultraschallfeld gehalten wird.The invention relates to a method for growing crystals, preferably of single crystals, by evaporation of a solution means from a drop that contains the solvent and the substance, from which the crystal is to be grown contains, the Drops are held without contact in a standing ultrasonic field becomes.

Ein derartiges Verfahren und eine solche Vorrichtung sind beschrie ben in der deutschen Offenlegungsschrift 38 06 634. Dieses Verfah ren und die Vorrichtung haben sich an und für sich bewährt. Das Verfahren beruht darauf, daß der Lösungstropfen durch die stehende Ultraschallwelle berührungslos in der Schwebe gehalten wird und durch kontrolliertes Abdampfen des Lösungsmittels sowie durch thermische Nukleation ein Kristall aus der Lösung ausgeschieden wird.Such a method and such a device are described ben in German Offenlegungsschrift 38 06 634. This procedure Ren and the device have proven themselves in and of themselves. The The method is based on the fact that the solution drops through the standing Ultrasound wave is held in contact and suspended by controlled evaporation of the solvent and by thermal nucleation a crystal excreted from the solution becomes.

Die Größe des Einkristalls hängt von der Ausgangsgröße und End größe des Tropfens sowie von der Löslichkeit des zu kristal lisierenden Materials ab. Da der Kristall auch am Ende des Züch tungsversuchs noch im Tropfen suspendiert sein muß, darf eine Mindestgröße des Tropfens nicht unterschritten werden.The size of the single crystal depends on the initial size and end size of the drop and the solubility of the too crystalline material. Since the crystal is also at the end of the growth test must still be suspended in drops, one The minimum size of the drop must not be undercut.

Ein Nachteil der Positionierung besteht darin, daß die akustischen Haltekräfte des Tropfens sphäroidförmig deformieren und oberhalb einer kritischen BondzahlA disadvantage of positioning is that the acoustic Deform the holding forces of the drop spheroidally and above a critical bond number

BO = a² go<1
go = 981 cm s^-2
= Dichte des Tropfens
= Oberflächenspannung des Tropfens
a = Radius des TropfensBO = a² go <1
go = 981 cm s ^-2
= Density of the drop
= Surface tension of the drop
a = radius of the drop

sogar desintegrieren, d. h. zerstören. even disintegrate, d. H. to destroy.

Das hat zur Folge, daß terrestrisch - insbesondere bei kleinen Oberflächenspannungen des Lösungsmittels - nur relativ kleine Tropfen (typisch 5 mm Durchmesser) akustisch in der Schwebe ge halten werden können.As a result, terrestrial - especially with small ones Surface tensions of the solvent - only relatively small Drops (typically 5 mm in diameter) acoustically suspended can be held.

Eine andere Möglichkeit, einen Tropfen in der Schwebe zu halten, wurde bereits von Millikan beschrieben. Der Tropfen wird hierbei elektrisch aufgeladen und in ein homogenes oder inhomogenes elek trisches Feld der Feldstärke E gebracht. Auf den geladenen Tropfen der Ladung Q wirkt eine CoulombkraftAnother way to keep a drop in the balance has already been described by Millikan. The drop is here electrically charged and in a homogeneous or inhomogeneous elec brought tric field of field strength E. On the loaded drop a Qoulomb force acts on the charge Q.

F_c = Q × E = mgF _c = Q × E = mg

ein, die im labilen Gleichgewicht die Schwerkraft mg kompensieren kann.which compensate for gravity mg in an unstable equilibrium can.

Durch die Regelung der elektrischen Feldstärke E kann aus dem labi len Gleichgewicht ein stabiles Gleichgewicht gemacht werden. Zur Regelung der Feldstärke ist die genaue Positionskontrolle des Trop fens, z. B. durch optische oder kapazitive Positionssensoren sowie eine genügend schnelle Spannungsregelung erforderlich. Bei der elektrostatischen Positionsmethode ist der Kraftangriff am Tropfen gleichmäßiger, so daß sich der Tropfen weniger stark deformiert.By regulating the electric field strength E from the labi stable equilibrium. To Controlling the field strength is the exact position control of the trop fens, e.g. B. by optical or capacitive position sensors and A sufficiently fast voltage regulation is required. In the Electrostatic position method is the force attack on the drop more evenly so that the drop deforms less.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Kristalle auch aus größeren Lösungsmitteltropfen gezüchtet werden können.The invention is therefore based on the object, a method and to design a device of the type mentioned that the crystals are also grown from larger drops of solvent can be.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren da durch gekennzeichnet, daß der Tropfen elektrisch aufgeladen und dem Ultraschallfeld ein elektrisches Feld überlagert wird.The inventive method is there to solve this problem characterized in that the drop is electrically charged and an electric field is superimposed on the ultrasonic field.

Der erfindungsgemäße Positionierer ist also ein Hybrid aus akusti schem und elektrostatischem Positionierer, der die Vorteile beider Positionierer miteinander vereinigt, ohne ihre jeweiligen Nachteile zu übernehmen. The positioner according to the invention is therefore a hybrid of acoustics chemical and electrostatic positioner that takes advantage of both Positioners combined with each other without their respective disadvantages to take over.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Lösung der erwähnten Auf gabe dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum stehenden Ultra schallfeld mindestens eine Elektrode vorgesehen ist.The device according to the invention is for solving the above was characterized in that in addition to the standing Ultra sound field at least one electrode is provided.

Die axiale und radiale Positionierungskraft kann dann vom elektro statischen Positionierer übernommen werden. Dessen labiles Gleich gewicht wird durch Zuschalten einer schwachen akustischen Stehwelle zum stabilen Gleichgewicht, ohne die nachteilige sphäroidförmige Tropfendeformation bzw. Desintegration des Tropfens (Nachteil der akustischen Positionierung) und ohne Notwendigkeit für eine aufwendige und schnelle Positionierungskontrolle des Tropfens und die Regelung des elektrischen Feldes (Nachteil der elektrostati schen Positionierung). Im Prinzip können beide Felder beliebig superponiert werden, wenn die Summe der Haltekräfte jeweils etwa der Schwerkraft entspricht. Es empfiehlt sich aber, bei der Einbringung des Tropfens aus einem Reservoir, z. B. durch eine Injektions-Kanüle, zunächst nur das stehende Ultraschallfeld zu benutzen. Wenn der Tropfen eine gewisse Mindestgröße erreicht hat, kann über die metallische Injektionsnadel eine elektrische Aufladung erfolgen und das äußere elektrische Feld allmählich zugeschaltet werden. Im gleichen Maße wie mit der Aufladung des Tropfens und der äußeren Feldstärke die elektrostatische Haltekraft steigt, kann die akustische Haltekraft reduziert werden, so daß die anfängliche Deformation bis zur idealen Kugelgestalt kompen siert werden kann.The axial and radial positioning force can then be from the electro static positioner. Its unstable like weight is achieved by switching on a weak acoustic standing wave to stable equilibrium without the disadvantageous spheroidal Drop deformation or disintegration of the drop (disadvantage of the acoustic positioning) and without the need for one complex and quick positioning control of the drop and the regulation of the electric field (disadvantage of the electrostatic positioning). In principle, both fields can be any be superposed if the sum of the holding forces is about corresponds to gravity. However, it is recommended that the Introducing the drop from a reservoir, e.g. B. by a Injection cannula, initially only the standing ultrasound field to use. When the drop reaches a certain minimum size has an electrical Charging take place and the external electric field gradually be switched on. To the same extent as when charging the Drop and the external field strength the electrostatic holding force increases, the acoustic holding force can be reduced so that compensate for the initial deformation to the ideal spherical shape can be settled.

Da die akustische Haltekraft - infolge sphäroidförmiger Tropfen deformation (bis zur Membranausbildung und Desintegration) und die elektrostatische Haltekraft durch eine vom Tropfendurchmesser abhängige elektrische Maximalladung (Rayleigh Limit) und die Durchbruchfeldstärke des elektrischen Feldes begrenzt ist, kann durch geschickte Superposition beider Kraftfelder der erreichbare Tropfendurchmesser erhöht werden.Because the acoustic holding force - as a result of spheroidal drops deformation (up to membrane formation and disintegration) and the electrostatic holding force by a drop diameter dependent electrical maximum charge (Rayleigh Limit) and the Breakthrough field strength of the electrical field is limited, can through skillful superposition of both force fields the achievable Drop diameter can be increased.

Ein anderer wesentlicher Vorteil des Hybridsystems ist der Wegfall einer aufwendigen Positionskontrolle des Tropfens und einer Regelung der elektrischen Feldstärke zur Stabilisierung der Tropfenposition, da diese durch die ortsfeste Lage der akustischen Druckknoten in dem auf Resonanz abgestimmten stehenden Wellenfeld automatisch erreicht wird.Another major advantage of the hybrid system is the elimination an elaborate position control of the drop and one Regulation of the electric field strength to stabilize the Drop position, as this is due to the fixed position of the acoustic Pressure nodes in the standing wave field tuned to resonance is reached automatically.

Der neue, erfingungsgemäße Hybrid-Levitator ist in der Fig. 1 dargestellt. Fig. 2 zeigt als Detail eine andere Elektrodenan ordnung.The new hybrid levitator according to the invention is shown in FIG. 1. Fig. 2 shows a detail of another electrode arrangement.

Fig. 1 zeigt einen piezoelektrisch angeregten Ultraschall-Wandler 1, der mit ca. 20 kHz schwingt und Schallwellen der Wellenlänge ≈1,6 cm nach oben abstrahlt. Diese Schallwellen werden von einem Reflektor 2, der z. B. sphärisch-konkav oder gestuft ausgebildet ist, reflektiert, so daß sich durch Interferenz zweier gegenläu figer Ultraschallwellen eine Stehwelle ausbildet. Fig. 1 shows a piezo-electrically excited ultrasonic transducer 1 which oscillates at about 20 kHz and sound waves of the wavelength ≈1,6 cm after radiates above. These sound waves are from a reflector 2 , the z. B. is spherical-concave or stepped, reflected, so that a standing wave is formed by interference of two opposing ultrasonic waves.

Ein Tropfen 3 wird in einem Druckknoten der Stehwelle positio niert. Die Einbringung des Tropfens erfolgt z. B. aus einer In jektionsspritze 4, über deren metallische Hohlnadel 5 gleichzeit ig die Tropfenaufladung von einem Hochspannungsgerät 6 erfolgen kann.A drop 3 is positioned in a pressure node of the standing wave. The drop is introduced, for. B. from an injection syringe 4 , on the metallic hollow needle 5 ig simultaneously the drop charging from a high-voltage device 6 can take place.

Am Reflektor 2, der aus elektrisch nichtleitendem Material be steht, befindet sich außen eine Elektrode 7, die nach Fig. 2 z. B. ringförmig oder nach Fig. 1 konvex gekrümmt ausgebildet ist und durch ein zweites Hochspannungsgerät 8 aufgeladen wird. Der auf geladene Tropfen 3 wird im elektrischen Feld zwischen Elektrode 7 und geerdetem Ultraschallwandler 1 in der Schwebe gehalten. Die dazu erforderliche Spannung wird mit einer relativ großen Toleranz am Hochspannungsgerät 8 fest eingestellt. Die Stabilisierung über nimmt die mit großer Toleranz überlagerte Ultraschall-Stehwelle.On the reflector 2 , which is made of electrically non-conductive material, there is an electrode 7 on the outside, which according to FIG . B. is annular or convexly curved according to FIG. 1 and is charged by a second high-voltage device 8 . The charged drop 3 is kept suspended in the electric field between the electrode 7 and the grounded ultrasonic transducer 1 . The voltage required for this is fixed with a relatively large tolerance on the high-voltage device 8 . The stabilization takes over the ultrasonic standing wave superimposed with great tolerance.

Falls die elektrische Tropfenentladung sich zeitlich ändert, kann die Feldstärke zwischen dem Wandler 1 und der Elektrode 7 sukzes sive nachgeregelt werden. Das kann bei optischer Positionskon trolle, d. h. bei stärkerem Durchhängen des Tropfens, automatisch oder von Hand erfolgen. If the electrical drop discharge changes over time, the field strength between the converter 1 and the electrode 7 can be successively readjusted. This can be done automatically or by hand in the case of optical position control, ie if the drop sags more.

Bei der Kristallzucht aus schwebenden Lösungstropfen (siehe die DE-OS 38 06 634) wird die Verdampfungsgeschwindigkeit des Tropf ens durch die eingestellte Umgebungstemperatur (Thermostat) und durch die genau definierte relative Feuchtigkeit der Luft im Positionierer bestimmt. Letztere wird durch die Konzentration einer Salzlösung 9 am Boden des Positionierers in gleicher Weise wie bei der erwähnten DE-OS erreicht.When growing crystals from floating drops of solution (see DE-OS 38 06 634), the evaporation rate of the drop is determined by the set ambient temperature (thermostat) and by the precisely defined relative humidity of the air in the positioner. The latter is achieved by the concentration of a salt solution 9 at the bottom of the positioner in the same way as in the aforementioned DE-OS.

Die Tropfenentnahme erfolgt nach erfolgreicher Kristallzucht im Tropfen durch Ansaugen in eine größere Kapillare 10, die in den positionierten Tropfen eingeführt wird.After successful crystal growth in the drop, the drop is removed by suction into a larger capillary 10 which is introduced into the positioned drop.

Bei Pos. 11 ist die Zufuhr für die Salzlösung angedeutet und bei Pos. 12 die elektrische Versorgung für den Wandler 1.The supply for the saline solution is indicated at item 11 and the electrical supply for the converter 1 at item 12 .

Pos. 13 zeigt eine zentrale negative Stufung des Reflektors 2, die zur Erhöhung der Positionierungsstabilität des Tropfens 3 dient. Durch die Stufung 13 bildet sich ein räumlicher Gradient des Schallfeldes aus, der den Tropfen 3 besser stabilisiert.Pos. 13 shows a central negative gradation of the reflector 2 , which serves to increase the positioning stability of the drop 3 . The gradation 13 forms a spatial gradient of the sound field, which stabilizes the drop 3 better.

Claims

1. Verfahren zum Züchten von Kristallen, vorzugsweise von Einkristallen, durch Verdunsten eines Lösungsmittels aus einem Tropfen, der das Lösungsmittel und die Substanz, aus der der Kristall gezüchtet werden soll, enthält, wo bei der Tropfen berührungslos ein einem stehenden Ultra schallfeld gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Tropfen elektrisch aufgeladen und dem Ultraschallfeld ein elektrisches Feld überlagert wird.1. A method for growing crystals, preferably single crystals, by evaporation of a solvent from a drop which contains the solvent and the substance from which the crystal is to be grown, where a non-contacting ultrasonic field is held in the drop, characterized in that the drop is electrically charged and an electric field is superimposed on the ultrasonic field.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tropfen anfänglich nur mit dem Ultraschallfeld in Schwebe gehalten wird, dem später das elektrische Feld zuge schaltet wird.2. The method according to claim 1, characterized, that the drop is initially only in the ultrasonic field Suspended, which later the electric field is switched.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärken des Ultraschallfeldes und des elek trischen Feldes einstellbar bzw. regelbar sind.3. The method according to claim 1 or 2, characterized, that the field strengths of the ultrasonic field and the elec tric field are adjustable or controllable.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem Ultraschallwandler (1) und einem davon beabstandet angeordneten Reflektor (2), dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Elektrode (7) vorgesehen ist.4. Device for performing the method and one of claims 1 to 3 with an ultrasonic transducer ( 1 ) and a reflector ( 2 ) spaced therefrom, characterized in that an electrode ( 7 ) is additionally provided.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (7) den aus elektrisch nichtleitendem Material bestehenden Reflektor (2) umgibt. 5. The device according to claim 4, characterized in that the electrode ( 7 ) surrounds the reflector ( 2 ) consisting of electrically non-conductive material.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (7) mittig in dem aus nichtleitendem Material bestehenden Reflektor (2) integriert ist und zur Erzeugung eines räumlichen Feldgradienten konvex gekrümmt ist.6. The device according to claim 4, characterized in that the electrode ( 7 ) is integrated centrally in the reflector ( 2 ) made of non-conductive material and is convexly curved to produce a spatial field gradient.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (2) zur Erhöhung der Positionierungs stabilität eine zentrale negative Stufung (13) besitzt.7. The device according to claim 4, characterized in that the reflector ( 2 ) to increase the positioning stability has a central negative gradation ( 13 ).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Ort der Stehwelle umgebende Prozeßkammer vorgesehen ist, in der sich ein Vorrat (9) des Lösungsmittels befindet, so daß zwischen dem Tropfen und dem Vorrat durch einstellbare Dampfdruckdifferenz mittels Temperaturdifferenz oder Konzentrationsdifferenz eines gelösten Salzes eine ge zielte Verdunstung stattfinden kann.8. Device according to one of claims 4 to 7, characterized in that a process chamber surrounding the location of the standing shaft is provided, in which there is a supply ( 9 ) of the solvent, so that between the drop and the supply by adjustable vapor pressure difference by means of temperature difference or concentration difference of a dissolved salt, a targeted evaporation can take place.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorrat (9) in dem zum Inneren der Prozeßkammer offenen Boden der Prozeßkammer angeordnet ist.9. The device according to claim 8, characterized in that the supply ( 9 ) is arranged in the open to the inside of the process chamber bottom of the process chamber.