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PATENTANSPRÜCHE
1. Anlage zum Züchten von Einkristallen aus einer
Schmelze, mit Mitteln zum Ziehen des Einkristalls aus der
Schmelze, wobei diese Mittel einen Impfkristall aufweisen, mit einem Tiegel, der aus zwei Behältern besteht, die koaxial angeordnet sind, so dass zwischen ihnen ein ringförmiger Hohlraum ausgebildet ist, mit einem Mittel zum Zuführen einer Charge in den ringförmigen Hohlraum, und mit zwei Tiegelerhitzern, wobei in der Wand des inneren Behälters Öffnungen vorgesehen sind, durch die die Schmelze aus dem ringförmigen Hohlraum in den inneren Behälter hinüberfliessen kann, dadurch gekennzeichnet, dass sich der innere Behälter (6) nach unten hin bezüglich des äusseren Behälters (7) erstreckt, dass in seinem nach unten ragenden Teil die Schmelze (16) untergebracht ist,
dass die Öffnungen (8) in der Wand des inneren Behälters (6) auf der Bodenhöhe des äusseren Behälters (7) angeordnet sind, unter dem einer der Erhitzer (12) aufgestellt ist, während der andere Erhitzer (11) unter dem Boden des inneren Behälters (6) angebracht ist.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erhitzer (12), der sich unter dem Boden des äusseren Behälters (7) befindet, in einer dem Boden des äusseren Behälters (7) des Tiegels (5) parallel liegenden Ebene angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Züchtung von Einkristallen aus einer Schmelze, mit Mitteln zum Ziehen des Einkristalls aus der Schmelze, wobei diese Mittel einen Impfkristall aufweisen, mit einem Tiegel, der aus zwei Behältern besteht, die koaxial angeordnet sind, so dass zwischen ihnen ein ringförmiger Hohlraum ausgebildet ist, mit einem Mittel zum Zuführen einer Charge in den ringförmigen Hohlraum, und mit zwei Tiegelerhitzern, wobei in der Wand des inneren Behälters Öffnungen vorgesehen sind, durch die die Schmelze aus dem ringförmigen Hohlraum in den inneren Behälter hinüberfliessen kann.
Die Anlage soll zum Züchten von orientierten, grossen Einkristallen aus einer Schmelze angewendet werden, die neben einem grossen Durchmesser lang sind. Diese Anlage soll zum Züchten von optischen und halogenalkalischen Szintillationseinkristallen, Halbleitereinkristallen, z.B. aus Germanium, Silizium, dienen.
Die bekannten Anlagen zum Ziehen von Einkristallen nach der Methode von Czochralski enthalten eine hermetisch verschlossene Kammer mit wassergekühlten Wänden. Im Inneren der Kammer, und zwar in deren Unterteil, ist ein Tiegel untergebracht, dessen vertikale Achse in der Regel mit der vertikalen Achse der Kammer zusammenfällt. Der Tiegel ist auf einer sich drehenden vertikalen Stange befestigt, die durch den Kammerboden hindurch und dabei luftdicht geführt ist, wobei die Achse der Stange mit der Tiegel achse zusammenfällt. Um den Tiegel herum ist ein mit Wärmeisolation umgebener Erhitzer angeordnet. Im oberen Teil der Kammer ist eine sich drehende und vertikal verlaufende Stange anordnet, deren Achse mit der Tiegelachse zusammenfällt. Die Stange ist durch denKammerdeckel luftdicht hineingeführt und ist in axialer Richtung verstellbar.
Das untere Stangenende trägt den Impfkristallhalter und das obere Stangenende ist mit Mitteln für dessen Drehbewegung und für axiale Hin- und Herbewegung verbunden.
Das Wachstum eines Einkristalles geschieht wie folgt. Der Ausgangsstoff wird im Tiegel in Schmelzzustand gebracht. In diesen Tiegel wird die Stange mit dem Impfkristall herabgesenkt, bis dieser mit der Schmelze in Berührung kommt.
Nach einem teilweisen Abschmelzen der unteren Stirnfläche des Impfkristalls wird die Temperatur soweit vermindert, dass der Impfkristall nicht weiter abschmilzt. Daraufhin wird die Stange mit dem Impfkristall langsam hochgezogen, und dabei wächst auf dem Impfkristall ein Einkristall.
Die Gewinnung der Einkristalle mit den vorgegebenen
Eigenschaften und einer vollkommenen kristallinen Struktur ist nur unter komplizierten Bedingungen möglich, wie z.B.
unter Gewährleistung der Stabilität und axialer Symmetrie des Wärmefeldes im wachsenden Einkristall und in der ihn umgebenden Schmelze, unter Aufrechterhaltung der vorgegebenen Wachstumsgeschwindigkeit und der vorgegebenen Form der Kristallisationsfront und unter Gewährleistung der Stabilität des Durchmessers des wachsenden Kristalls.
Obwohl die beschriebenen Anlagen zum Ziehen von Einkristallen nach der Methode von Czochralski im Vergleich zu den anderen bekannten Methoden es ermöglichen, Einkristalle von höherer Qualität (bessere Struktur, genaue kristallographische Orientierung u.a.) zu gewinnen, besteht ihr Nachteil darin, dass der Schmelzestand (und folglich auch die Kristallisationsfront) sich allmählich nach unten hin bezüglich des Tiegelerhitzers verlagert, was zu einer Instabilität des Wärmefeldes im Kristall und in der Schmelze führt.
Bekannt sind ferner Anlagen, welche zusätzlich ein Mittel zur axialen Bewegung der Tiegelstange enthalten, bei denen die Verlagerung des Schmelzestandes (der Kristallisationsfront) durch kontinuierliches Heben des Tiegels ausgeglichen wird, so dass während der Züchtung die Kristallisationsfront bezüglich des Tiegelerhitzers unbeweglich ist. Solche Anlagen sind auch nicht imstande, eine genügende Stabilität des Wärmefeldes im wachsenden Einkristall zu gewährleisten, da die über der Oberfläche der Schmelze hervortretenden Tiegelwände einen Wärmeschirm von variabler Höhe darstellen.
Die vorstehend beschriebenen Anlagen gestatten es nicht, Einkristalle mit genügend grossen Abmessungen zu züchten, da bei ihnen die Masse des Kristalls durch die Masse des Ausgangsstoffes, der in den Tiegel vor Beginn der Züchtung eingegeben wird, beschränkt ist.
In diesem Zusammenhang verwendet man Anlagen, die ein zusätzliches Mittel zum kontinuierlichen Zuführen von zu schmelzendemMaterial zum Ausgangsstoff enthalten.
Die Konstruktion des in der Senkrechten unbeweglichen Tiegels gewährleistet dabei die Aufnahme des Ausgangsstoffes und dessen Zuführung in die Schmelzzone im geschmolzenen Zustand, wo das Wachstum des zu ziehenden Einkristalls erfolgt. Bei Aufrechterhaltung eines stabilen Standes der Schmelze im Tiegel wird in solchen Anlagen eine Stabilität des Wärmefeldes in dem wachsenden Einkristall und in der Schmelze gewährleistet.
Die Hauptanforderungen an diese Anlagen bestehen darin, dass sie die Möglichkeit einer kontinuierlichen Zuspeisung der Schmelze mit Ausgangsstoff während einer beliebig langen Zeitspanne, die zur Herstellung eines grossen Einkristalls notwendig ist, gewährleisten müssen, und dass sie die axiale Symmetrie des Wärmefeldes um den wachsenden Einkristall herum nicht stören.
Bekannt ist eine Anlage zum Ziehen von Einkristallen aus einer Schmelze, die sich in einem sich drehenden zylindrischen Tiegel befindet. In diese Anlage wird ein Stab aus polykristallinem Ausgangsstoff in die Schmelze kontinuierlich eingeführt, der von oben in die Schmelze herabgesenkt wird.
Dabei befindet sich die Stab achs senkrecht in der Nähe der Tiegelwand. Die Achse des Impfkristallhalters ist gegenüber der Tiegelachse nach der dem Stab entgegengesetzten Seite um den dem Stabdurchmesser gleichen Abstand verlagert.
Nachteilig bei dieser Anlage ist die Störung der axialen Symmetrie des Wärmefeldes um den zu ziehenden Einkristall herum und die Beschränkung der Grösse der gezüchteten
Einkristalle. Dies bedeutet, dass der Durchmesser des Einkristalls sich dem Innendurchmesser des Tiegels höchstens nähern kann.
Bekannt ist ferner eine Anlage, die einen feststehenden Tiegel mit zwei nebeneinander liegenden, miteinander verbundenen Behältern, die einen gemeinsamen oder getrennte Erhitzer haben, enthält. Der eine Behälter wird mit dem Ausgangsstoff beschickt und aus dem anderen wird der Einkristall gezogen. Der Nachteil dieser Anlagen besteht darin, dass es nicht möglich ist, darin ein axial symmetrisches Wärmefeld zu erzeugen, was durch Ausbleiben einer axialen Symmetrie des Tiegels und die Unmöglichkeit seiner Drehung bedingt ist.
Im Patent der BRD Nr. 1 188 040, Kl. 12c-2, 1965, ist eine Anlage beschrieben, bei der die Beschickung der Schmelze durch Zuführung des Ausgangsstoffes in Form eines runden Stabes von unten her durch eine Öffnung im Boden des zylindrischen Tiegels, die mit dem Tiegel koaxial ausgebildet ist, erfolgt. Diese Anlage fand in der Praxis der Kristallzüchtung keine breite Anwendung, da die Konstruktion der Anlage eine geringe Zuverlässigkeit hatte. Selbst bei einer unwesentlichen Nichtübereinstimmung der Durchmesser des Stabes und der Öffnung im Tiegel kommt es entweder zu einem Ausfliessen der Schmelze oder zum Klemmen des Stabes. Ausserdem bedarf es zur Durchführung der Zuspeisung durch die Öffnung im Boden des Tiegels eines Materials für den Tiegel, das mit der Schmelze nicht benetzt werden kann.
Bei der im Patent der USA Nr. 2 892 739, Kl. 148-1.5, 1959, beschriebenen Anlage gibt es einen Tiegel, der aus zwei zylindrischen Behältern besteht, die koaxial ineinander mit einem senkrechten Spiel, das der Differenz der Höhen der Behälter gleich ist, und dem radialen Spiel, das der Differenz ihrer Durchmesser gleich ist, derart angeordnet sind, dass zwischen ihnen ein ringförmiger Hohlraum entsteht, in den die Charge eingegeben wird. Im Boden des inneren Behälters sind Öffnungen ausgebildet, durch welche die Schmelze aus dem ringförmigen Hohlraum in den inneren Behälter hin überfliesst. Über dem ringförmigen Hohlraum ist ein Vertikalrohr angebracht, durch das die zerkleinerte Charge zugeführt wird. Der Tiegel ist auf ein Untergestellt aufgestellt, das mit einer sich drehenden Stange, deren Achse mit der Tiegelachse zusammenfällt, starr verbunden ist.
Um den Tiegel herum ist konzentrisch ein zylindrischer Seitenerhitzer montiert. Die Achse der Stange mit dem Impfkristallhalter fällt mit der Tiegelachse zusammen.
Die Anlage arbeitet wie folgt. Nach Herunterschmelzen des Ausgangsstoffes im Tiegel bringt man den Impfkristall mit der Schmelze in Berührung. Nach Abschmelzen des Impfkristalls und nach Auswahl der erforderlichen Temperatur der Schmelze beginnt nun der Züchtungsvorgang des Einkristalls. Gleichzeitig mit dem Beginn des Ziehens des Einkristalls führt man die zerkleinerte Charge in den oberen Teil des Vertikalrohres zu. Aus dem Vertikalrohr gelangt die Charge in den ringförmigen Hohlraum des sich drehenden Tiegels und wird dort über dem Perimeter gleichmässig verteilt. Die in die Schmelze gelangenden Chargenteile werden heruntergeschmolzen und die Schmelze fliesst aus dem ringförmigen Hohlraum in den inneren Behälter hinüber, in dem eine kontinuierliche Zuspeisung der darin befindlichen Schmelze gewährleistet wird.
Eine solche Konstruktion gewährleistet die Achsensymmetrie des Wärmefeldes um den wachsenden Einkristall herum.
Bei gleichen Massengeschwindigkeiten (unter Massengeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit in Masseneinheiten je Zeiteinheit zu verstehen) der Chargenzuführung und des Wachstums des Einkristalls gewährleistet diese Konstruktion auch eine stabile Lage der Kristallisationsfront und folglich auch eine Stabilität des Wärmefeldes im wachsenden Einkristall und in der Schmelze.
Der Hauptmangel der beschriebenen Anlage besteht darin, dass an den über der Oberfläche der Schmelze hervortretenden Wänden des ringförmigen Hohlraumes Ansätze entstehen können, die sich an den Wänden sowohl durch die Kristallisation der geschmolzenen Tropfen, welche beim Fallen von Chargenteilchen auf die Oberfläche der Schmelze verspritzt werden, als auch durch direktes Antreffen der Chargenteilchen an den Wänden und darauffolgendes Festhaften an diesen bilden. Eine allmähliche Vergrösserung der Abmessungen der Ansätze führt dann früher oder später zum vollständigen Verschluss des Radialspieles im ringförmigen Hohlraum des Tiegels und folglich zum Aufhören der Zuführung der Charge in die Schmelze, d.h. zu einer Störung des Züchtungsvorganges.
Um die Bildung der Ansätze vermeiden zu können, ist es erforderlich, dass die Temperatur der sich über der Oberfläche der Schmelze erhebenden Wände des ringförmigen Hohlraumes über der Schmelztemperatur der Charge gehalten wird. Dies ist jedoch nur dann durchführbar, wenn der Durchmesser des zu ziehenden Einkristalls bedeutend geringer ist als der Durchmesser des inneren Behälters. Bei Züchtung grösserer Kristalle, deren Abmessungen sich den Durchmessern des inneren Behälters nähern, würde die Aufrechterhaltung der Temperatur der sich über der Oberfläche der Schmelze erhebenden Wände über der Schmelztemperatur zu einer Überschreitung der Temperatur der Schmelze am Perimeter des zu ziehenden Einkristalls über die für dessen normales Wachstum erforderliche Temperatur führen, d.h. zu den Bedingungen führen, unter denen die Züchtung unmöglich ist.
Ein weiterer Nachteil der beschriebenen Anlage ist die eingeschränkte Möglichkeit der Erreichung einer ausreichenden Überhitzungsgrösse der Schmelze im ringförmigen Hohlraum des Tiegels. Die Temperatur der Schmelze in diesem Hohlraum soll um einen bestimmten Wert höher sein als die der Schmelze in dem inneren Behälter, wobei die Differenz dieser Temperaturen um so grösser sein muss, je höher die Zuspeisungsgeschwindigkeit, und folglich die Massengeschwindigkeit des Wachstums des Einkristalls ist. Die Nichtbefolgung dieser Bedingung führt zu einem ungenügenden Durchschmelzen der dem ringförmigen Hohlraum zuzuführenden Charge. Andererseits soll die Temperatur der Schmelze im inneren Behälter eine bestimmte Grösse nicht überschreiten, die durch die Geschwindigkeit des Ziehens des Einkristalls, dessen Durchmesser, das vertikale Temperaturgefälle u.ä. bestimmt wird.
Wegen eines starken Temperatureinflusses der Schmelze im ringförmigen Hohlraum auf die Temperatur der Schmelze im inneren Behälter werden diese Forderungen in der beschriebenen Anlage entweder überhaupt nicht oder mit beträchtlichen Einschränkungen, d.h.
nur für bestimmte technologische Arbeitsweisen (bei hinreichend kleinen Massengeschwindigkeiten des Wachstums des Einkristalls) erfüllt.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung der oben genannten Nachteile.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zum Züchten von Einkristallen aus einer Schmelze unter Beschikkung zerkleinerter Chargen zu schaffen, bei der die Konstruktion des Tiegels und die Anordnung der Erhitzer ein vollständiges Verschmelzen der dem Tiegel zugeführten Charge in einem weiten Bereich der Beschickungsgeschwindigkeiten bei einer Symmetrie des Wärmefeldes bezüglich der Tiegelachse und bei unabhängiger Steuerung der Erhitzung der nach funktionaler Zweckbestimmung unterschiedlichen Teilen des Tiegels gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird bei der Anlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäss so gelöst, wie dies im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 definiert ist.
Vorzugsweise liegt der unter dem Boden des äusseren Behälters befindliche Erhitzer in einer Ebene, die dem Boden dieses Behälters parallel ist.
Die vorliegende Erfindung gestattet es, die Betriebszuverlässigkeit der Anlage unter Vermeidung der Bildung von Ansätzen an den Wänden des ringförmigen Hohlraums des Tiegels wesentlich zu erhöhen. Die gegenseitige Anordnung des Bodens des äusseren Behälters, des Bodens des inneren Behälters und der Oberfläche der Schmelzsäule im Tiegel neben der Anordnung der Öffnungen zum Abfluss der geschmolzenen Charge auf der Bodenhöhe des äusseren Behälters ermöglichen das Vorhandensein eines sehr dünnen Filmes der Schmelze am Boden des ringförmigen Hohlraums (d.h. am Boden des äusseren Behälters); beim Herunterfallen von Chargenteilchen auf diesen sehr dünnen Film wird ein Verspritzen der Schmelze völlig ausgeschlossen.
Die Anordnung des ringförmigen Hohlraums über dem Spiegel der Schmelze im Tiegel und das Vorhandensein eines gesonderten Erhitzers für den äusseren Behälter, der einen minimalen Einfluss auf die Temperatur der Schmelze im inneren Behälter ausübt, gestatten es, die Wände des ringförmigen Hohlraumes über den Temperaturwert des Chargenschmelzens zu erhitzen und dadurch ein Festhaften von Chargenteilchen an den Wänden des ringförmigen Hohlraumes zu vermeiden. Die genannte gegenseitige Anordnung von verschiedenen Teilen des Tiegels und den Erhitzern gestattet es auch, Einkristalle in einem breiten Bereich technologischer Wachstumsarbeitsweisen, insbesondere bei hohen Zuspeisungsgeschwindigkeiten und folglich bei hohen Wachstumsgeschwindigkeiten zu züchten.
Ausserdem gestattet es die Konstruktion der Anlage eine unabhängige Steuerung der Temperaturen in der Zone des Chargenschmelzens und in der Zone des Wachstums des Einkristalls.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung, in der eine Anlage gemäss der Erfindung im vertikalen Schnitt schematisch dargestellt ist, näher erläutert.
Die Anlage enthält eine Kammer 1, in welche eine Stange 2 mit dem Halter 3 eines Impfkristalls 4 eingeführt ist. Der Tiegel 5 für die Schmelze, weist einen inneren Behälter 6 und einen äusseren Behälter 7 auf deren Innenräume durch Öffnungen 8 verbunden sind. Diese Öffnungen 8 liegen auf der Bodenhöhe des äusseren Behälters 7. Der Tiegel 5 ist auf einem Untergestell 9 aufgestellt, das auf einer Stange 10 starr befestigt ist. Jener Teil des inneren Behälters 6, der tiefer liegt als der äussere Behälter 7, dient zur Aufnahme der Schmelze.
Unter dem Untergestell 9 ist ein Erhitzer 11 für den inneren Behälter 6, und unter dem Boden des äusseren Behälters 7 ist ein flacher ringförmiger Erhitzer 12 angeordnet. Die Erhitzer 11 und 12 sind auf einer Stütze 13 aus einem wärmeisolierenden Material aufgestellt und sie können einzeln gesteuert werden. Von oben ist in die Kammer 1 auch ein Rohr 14 zum Zuführen der Charge in den ringförmigen Hohlraum zwischen den Behältern 6,7 eingeführt. Die vertikale Achse des unteren Teils des Rohres 14 ist etwa in der Mitte des ringförmigen Hohlraumes des Tiegels 5 angeordnet, und die Stirnfläche des Rohres 14 befindet sich entweder in der Ebene der oberen Stirnseite des Tiegels 5 oder etwas tiefer.
Die auflage enthält auch Mittel (nicht dargestellt), die zum Drehantrieb und zur axial gerichteten hin- und hergehenden Bewegung der Stange 2 mit dem Halter 3 des Impfkristalls 4 dienen. Die genannten Antriebsmittel bewirken auch die Drehbewegung der Stange 10 des Untergestells 9 des Tiegels 5 und die Zuführung der Charge in den Trichter 15 des Rohres 14.
Diese Anlage arbeitet wie folgt: Vor Beginn der Arbeit beschickt man den inneren Behälter 6 des Tiegels 5 mit dem Ausgangsstoff in einer derartigen Menge, dass die Höhe der Säule der Schmelze 16 kleiner ist als die Höhe des sich nach unten erstreckenden Teil des inneren Behälters 6. Im Halter 3 befestigt man den Impfkristall 4 und schaltet den Antrieb für die Drehbewegung der Stangen 2 und 10 ein. Danach schaltet man die Erhitzer 11 und 12 ein, so dass der Ausgangsstoff zu schmelzen beginnt. Die Temperatur des oberen Erhitzers 12 wird im weiteren konstant gehalten, während man mit Hilfe des unteren Erhitzers 11 die Temperatur der Schmelze 16 so einstellt, dass sie der Temperatur der Kristallisation des Ausgangsstoffes etwa gleicht. Der Impfknstall 4 wird langsam herabgesenkt, bis er mit der Schmelze in Berührung kommt.
Nach einem teilweisen Abschmelzen des Impfkristalls 4 und nach der Einstellung des Gleichgewichts zwischen ihm und der Schmelze 16 (bei dem kein Schmelzen und keine Kristallisation auf dem Impfkristall 4 erfolgen) werden die Antriebe zum Heben der Stange 2 des Halters 3 des Impfkristalls 4 und zum Zuführen der Charge in den Trichter 15 des Rohres 14 eingeschaltet. Bei der weiteren Aufrechterhaltung einer konstanten Geschwindigkeit des Ziehens und einer entsprechenden Regelung der Temperatur des Bodenerhitzers 11 wächst auf dem Impfkristall 4 ein Einkristall 17 mit erforderlichem Durchmesser.
Während des Wachstums des Einkristalls 17 vom Impfkristall 4 bis zu dem vorgegebenen Enddurchmesser des Einkristalls 17 erhöht man die Geschwindigkeit der Chargenzuführung in den Trichter 15 allmählich und zwar entsprechend der Erhöhung der Massengeschwindigkeit des Wachstums des sich im Duchmesser vergrössernden Einkristalls 17. Nach Erreichen des vorgegebenen Enddurchmessers wird dann die Zuführungsgeschwindigkeit konstant gehalten.
Bei unveränderter Geschwindigkeit des Massenwachstums und der Zuführung während des Züchtungsvorganges bleiben der Stand der Schmelze 16 im Tiegel 5 und folglich auch die Lage der Kristallisationsfront bezüglich der Erhitzer 11 und 12 und dem Tiegel 5 unverändert, wodurch eine Stabilität des Wärmefeldes an der Kristallisationsfront gewährleistet wird.
Die genannte Regelung der Temperatur des Bodenerhitzers 11 kann automatisch erfolgen, wenn die Anlage mit einem Geber versehen ist, der ein elektrisches Signal abgibt, das der Massengeschwindigkeit des Wachstums des Einkristalls 17 proportional ist. Dieser Geber kann ein Gewichtsgeber für den Einkristall, ein Gewichtsgeber für die Schmelze, ein Durchmessergeber für den Einkristall usw.
sein. In diesem Falle ist es zweckmässig, die Änderung der Geschwindigkeit der Zuspeisung während des Wachstums des Einkristalls 17 vom Impfkristall 4 bis zum vorgegebenen Enddurchmesser durch eine Programmierung entsprechend der Anforderung nach gleiche Massengeschwindigkeiten für die Zuspeisung und das Wachstum des Einkristalls 17 durchzuführen. Die flache Form des Erhitzers des äusseren Behälters gewährleistet nicht nur dessen minimalen Einfluss auf die Temperatur der Schmelze in dem inneren Behälter, sondern auch eine maximale Richtfähigkeit des Wärmezuflusses zu dem Boden des ringförmigen Hohlraumes, wo die Charge geschmolzen wird. Dabei wird die Konstruktion der Anlage vereinfacht und verbilligt, insbesondere im Falle der Verwendung teurer Materialien, z.B. Platin, für den Tiegel.
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PATENT CLAIMS
1. Plant for growing single crystals from one
Melt, with means for pulling the single crystal out of the
Melt, said means comprising a seed crystal, with a crucible consisting of two containers which are arranged coaxially so that an annular cavity is formed between them, with a means for feeding a charge into the annular cavity, and with two crucible heaters , wherein openings are provided in the wall of the inner container through which the melt can flow from the annular cavity into the inner container, characterized in that the inner container (6) extends downward with respect to the outer container (7), that the melt (16) is housed in its downwardly projecting part,
that the openings (8) are arranged in the wall of the inner container (6) at the floor level of the outer container (7), under which one of the heaters (12) is placed, while the other heater (11) is under the bottom of the inner one Container (6) is attached.
2. Installation according to claim 1, characterized in that the heater (12), which is located under the bottom of the outer container (7), is arranged in a plane parallel to the bottom of the outer container (7) of the crucible (5) .
The invention relates to a plant for growing single crystals from a melt, with means for pulling the single crystal from the melt, these means having a seed crystal, with a crucible consisting of two containers which are arranged coaxially, so that one between them annular cavity is formed, with a means for feeding a charge into the annular cavity, and with two crucible heaters, wherein openings are provided in the wall of the inner container through which the melt can flow from the annular cavity into the inner container.
The system is to be used to grow oriented, large single crystals from a melt that are long and have a large diameter. This plant is intended for growing optical and halogen-alkaline scintillation single crystals, semiconductor single crystals, e.g. made of germanium, silicon.
The known systems for pulling single crystals according to the Czochralski method contain a hermetically sealed chamber with water-cooled walls. Inside the chamber, in its lower part, there is a crucible, the vertical axis of which usually coincides with the vertical axis of the chamber. The crucible is attached to a rotating vertical rod which is guided through the chamber bottom and is airtight, the axis of the rod coinciding with the crucible axis. A heater surrounded by heat insulation is arranged around the crucible. In the upper part of the chamber there is a rotating and vertical rod, the axis of which coincides with the crucible axis. The rod is inserted airtight through the chamber cover and is adjustable in the axial direction.
The lower end of the rod carries the seed crystal holder and the upper end of the rod is connected to means for its rotational movement and for axial reciprocation.
The growth of a single crystal is as follows. The raw material is brought into a melting state in the crucible. The rod with the seed crystal is lowered into this crucible until it comes into contact with the melt.
After the lower end face of the seed crystal has partially melted, the temperature is reduced to such an extent that the seed crystal does not melt further. Then the rod with the seed crystal is slowly pulled up, and a single crystal grows on the seed crystal.
The extraction of single crystals with the given
Properties and a perfect crystalline structure is only possible under complicated conditions, e.g.
while ensuring the stability and axial symmetry of the heat field in the growing single crystal and in the melt surrounding it, while maintaining the predetermined growth rate and the predetermined shape of the crystallization front and while ensuring the stability of the diameter of the growing crystal.
Although the described systems for pulling single crystals according to the Czochralski method make it possible to obtain single crystals of higher quality (better structure, precise crystallographic orientation, etc.) compared to the other known methods, their disadvantage is that the melt level (and consequently also the crystallization front) gradually shifts downwards with respect to the crucible heater, which leads to an instability of the heat field in the crystal and in the melt.
Also known are systems which additionally contain a means for the axial movement of the crucible rod, in which the displacement of the melting state (the crystallization front) is compensated for by continuous lifting of the crucible, so that the crystallization front is immovable with respect to the crucible heater during cultivation. Such systems are also unable to ensure sufficient stability of the heat field in the growing single crystal, since the crucible walls emerging above the surface of the melt represent a heat shield of variable height.
The systems described above do not allow single crystals with sufficiently large dimensions to be grown, since in them the mass of the crystal is limited by the mass of the starting material which is introduced into the crucible before the start of growth.
In this context, equipment is used which contains an additional means for the continuous supply of material to be melted to the starting material.
The design of the crucible, which is immovable in the vertical direction, ensures that the starting material is taken up and fed into the melting zone in the molten state, where the growth of the single crystal to be drawn takes place. While maintaining a stable state of the melt in the crucible, stability of the heat field in the growing single crystal and in the melt is ensured in such systems.
The main requirements for these plants are that they must ensure the possibility of continuously feeding the melt with starting material for any length of time required to produce a large single crystal, and that they ensure the axial symmetry of the heat field around the growing single crystal do not bother.
A system for pulling single crystals from a melt is known, which is located in a rotating cylindrical crucible. In this system, a rod made of polycrystalline starting material is continuously introduced into the melt, which is lowered into the melt from above.
The rod axis is located vertically near the crucible wall. The axis of the seed crystal holder is shifted relative to the crucible axis on the side opposite the rod by the same distance as the rod diameter.
The disadvantage of this system is the disturbance of the axial symmetry of the heat field around the single crystal to be pulled and the limitation of the size of the grown ones
Single crystals. This means that the diameter of the single crystal can at most approach the inner diameter of the crucible.
A system is also known which contains a fixed crucible with two juxtaposed, interconnected containers which have a common or separate heater. One container is fed with the starting material and the single crystal is pulled from the other. The disadvantage of these systems is that it is not possible to generate an axially symmetrical heat field in them, which is due to the lack of axial symmetry of the crucible and the impossibility of its rotation.
In the patent of FRG No. 1 188 040, cl. 12c-2, 1965, a system is described in which the melt is fed by feeding the starting material in the form of a round rod from below through an opening in the bottom of the cylindrical crucible, which is coaxial with the crucible takes place. This system was not widely used in the practice of crystal growth, since the construction of the system was not very reliable. Even if there is an insignificant mismatch between the diameter of the rod and the opening in the crucible, either the melt will flow out or the rod will jam. In addition, the feed through the opening in the bottom of the crucible requires a material for the crucible that cannot be wetted with the melt.
In the system described in US Pat. No. 2,892,739, cl. 148-1.5, 1959, there is a crucible which consists of two cylindrical containers which are coaxial with one another with a vertical clearance which is equal to the difference in the heights of the containers and the radial clearance, which is equal to the difference in their diameters, are arranged in such a way that an annular cavity is formed between them, into which the batch is introduced. Openings are formed in the bottom of the inner container through which the melt flows from the annular cavity into the inner container. A vertical tube through which the shredded batch is fed is attached above the annular cavity. The crucible is placed on a base which is rigidly connected to a rotating rod, the axis of which coincides with the axis of the crucible.
A cylindrical side heater is mounted concentrically around the crucible. The axis of the rod with the seed crystal holder coincides with the crucible axis.
The system works as follows. After the starting material has melted down in the crucible, the seed crystal is brought into contact with the melt. After the seed crystal has melted and the required temperature of the melt has been selected, the growing process of the single crystal begins. Simultaneously with the start of pulling the single crystal, the comminuted batch is fed into the upper part of the vertical tube. The batch passes from the vertical tube into the annular cavity of the rotating crucible, where it is evenly distributed over the perimeter. The batch parts that get into the melt are melted down and the melt flows from the annular cavity into the inner container, in which a continuous feeding of the melt therein is ensured.
Such a construction ensures the axis symmetry of the heat field around the growing single crystal.
With the same mass velocities (the mass velocity is the speed in mass units per unit of time) of the batch feed and the growth of the single crystal, this construction also ensures a stable position of the crystallization front and consequently also a stability of the heat field in the growing single crystal and in the melt.
The main deficiency of the system described is that on the walls of the annular cavity protruding above the surface of the melt, deposits can form on the walls as a result of the crystallization of the molten drops, which are sprayed onto the surface of the melt when batch particles fall , as well as by directly encountering the batch particles on the walls and then adhering to them. A gradual increase in the dimensions of the lugs will sooner or later lead to the complete closure of the radial play in the annular cavity of the crucible and consequently to the cessation of the feed of the batch into the melt, i.e. to a disturbance in the breeding process.
In order to avoid the formation of the batches, it is necessary that the temperature of the walls of the annular cavity rising above the surface of the melt is kept above the melting temperature of the batch. However, this can only be carried out if the diameter of the single crystal to be pulled is significantly smaller than the diameter of the inner container. When growing larger crystals, the dimensions of which approximate the diameters of the inner container, maintaining the temperature of the walls rising above the surface of the melt above the melting temperature would result in the temperature of the melt on the perimeter of the single crystal to be pulled exceeding that for its normal Growth required temperature, ie lead to the conditions under which breeding is impossible.
Another disadvantage of the system described is the limited possibility of achieving a sufficient superheat size of the melt in the annular cavity of the crucible. The temperature of the melt in this cavity is said to be a certain value higher than that of the melt in the inner container, the difference between these temperatures being greater the higher the feed rate and consequently the mass rate of growth of the single crystal. Failure to follow this condition will result in insufficient melting of the batch to be supplied to the annular cavity. On the other hand, the temperature of the melt in the inner container should not exceed a certain size, which is determined by the speed of pulling the single crystal, its diameter, the vertical temperature gradient and the like. is determined.
Because of the strong temperature influence of the melt in the annular cavity on the temperature of the melt in the inner container, these requirements are either not met at all in the system described or with considerable restrictions, i.e.
only fulfilled for certain technological working methods (with sufficiently low mass velocities of single crystal growth).
The aim of the present invention is to eliminate the disadvantages mentioned above.
The invention had for its object to provide a system for growing single crystals from a melt with feed to comminuted batches, in which the design of the crucible and the arrangement of the heaters a complete fusion of the batch fed to the crucible in a wide range of loading speeds at one Symmetry of the heat field with respect to the crucible axis and with independent control of the heating of the parts of the crucible which are different according to the functional purpose is guaranteed.
This object is achieved according to the invention in the installation of the type mentioned at the outset, as defined in the characterizing part of claim 1.
Preferably, the heater located under the bottom of the outer container lies in a plane that is parallel to the bottom of this container.
The present invention makes it possible to substantially increase the operational reliability of the plant while avoiding the formation of lugs on the walls of the annular cavity of the crucible. The mutual arrangement of the bottom of the outer container, the bottom of the inner container and the surface of the melting column in the crucible in addition to the arrangement of the openings for the discharge of the molten charge at the bottom level of the outer container enable the presence of a very thin film of the melt on the bottom of the annular Cavity (ie at the bottom of the outer container); splashing of the melt is completely excluded when batch particles fall onto this very thin film.
The arrangement of the annular cavity above the level of the melt in the crucible and the presence of a separate heater for the outer container, which has a minimal influence on the temperature of the melt in the inner container, allow the walls of the annular cavity to be above the temperature value of the batch melting to heat and thereby avoid sticking of batch particles to the walls of the annular cavity. The aforesaid mutual arrangement of different parts of the crucible and the heaters also allows single crystals to be grown in a wide range of technological growth processes, in particular at high feed rates and consequently at high growth rates.
In addition, the construction of the plant allows independent control of the temperatures in the batch melting zone and in the single crystal growth zone.
An exemplary embodiment of the present invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawing, in which a system according to the invention is shown schematically in vertical section.
The system contains a chamber 1, into which a rod 2 with the holder 3 of a seed crystal 4 is inserted. The crucible 5 for the melt has an inner container 6 and an outer container 7, the inner spaces of which are connected by openings 8. These openings 8 are at the floor level of the outer container 7. The crucible 5 is placed on a base frame 9, which is rigidly attached to a rod 10. That part of the inner container 6 which lies deeper than the outer container 7 serves to receive the melt.
Under the base 9 there is a heater 11 for the inner container 6, and under the bottom of the outer container 7 a flat annular heater 12 is arranged. The heaters 11 and 12 are placed on a support 13 made of a heat-insulating material and they can be controlled individually. A tube 14 for feeding the batch into the annular cavity between the containers 6, 7 is also introduced into the chamber 1 from above. The vertical axis of the lower part of the tube 14 is arranged approximately in the middle of the annular cavity of the crucible 5, and the end face of the tube 14 is either in the plane of the upper end face of the crucible 5 or somewhat lower.
The pad also contains means (not shown) which are used for the rotary drive and for the axially directed reciprocating movement of the rod 2 with the holder 3 of the seed crystal 4. The drive means mentioned also cause the rotary movement of the rod 10 of the base frame 9 of the crucible 5 and the feed of the batch into the funnel 15 of the tube 14.
This system works as follows: Before starting work, the inner container 6 of the crucible 5 is charged with the starting material in such an amount that the height of the column of the melt 16 is less than the height of the downwardly extending part of the inner container 6 1. The seed crystal 4 is fastened in the holder 3 and the drive for the rotary movement of the rods 2 and 10 is switched on. The heaters 11 and 12 are then switched on, so that the starting material begins to melt. The temperature of the upper heater 12 is then kept constant, while the temperature of the melt 16 is adjusted with the aid of the lower heater 11 so that it approximately corresponds to the temperature of the crystallization of the starting material. The vaccination stall 4 is slowly lowered until it comes into contact with the melt.
After a partial melting of the seed crystal 4 and after the equilibrium between it and the melt 16 has been established (in which there is no melting and no crystallization on the seed crystal 4), the drives for lifting the rod 2 of the holder 3 of the seed crystal 4 and for feeding the batch in the funnel 15 of the tube 14 turned on. If a constant speed of pulling and a corresponding regulation of the temperature of the floor heater 11 are maintained, a single crystal 17 with the required diameter grows on the seed crystal 4.
During the growth of the single crystal 17 from the seed crystal 4 up to the predetermined final diameter of the single crystal 17, the speed of the batch feed into the funnel 15 is gradually increased in accordance with the increase in the mass velocity of growth of the single crystal 17 which increases in diameter. After reaching the predetermined final diameter the feed rate is then kept constant.
With unchanged speed of mass growth and feeding during the cultivation process, the level of the melt 16 in the crucible 5 and consequently also the position of the crystallization front with respect to the heaters 11 and 12 and the crucible 5 remain unchanged, thereby ensuring a stability of the heat field on the crystallization front.
The aforementioned regulation of the temperature of the floor heater 11 can take place automatically if the system is provided with a transmitter which emits an electrical signal which is proportional to the mass speed of growth of the single crystal 17. This sensor can be a weight sensor for the single crystal, a weight sensor for the melt, a diameter sensor for the single crystal, etc.
be. In this case, it is expedient to carry out the change in the speed of the feed during the growth of the single crystal 17 from the seed crystal 4 to the predetermined final diameter by programming in accordance with the requirement for equal mass speeds for the feed and the growth of the single crystal 17. The flat shape of the heater of the outer container ensures not only its minimal influence on the temperature of the melt in the inner container, but also maximum directivity of the heat flow to the bottom of the annular cavity where the batch is melted. The construction of the system is simplified and cheaper, especially in the case of using expensive materials, e.g. Platinum, for the crucible.