DE1198322B

DE1198322B - Method for producing single crystals

Info

Publication number: DE1198322B
Application number: DEJ19906A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Reinhard Dahlberg
Original assignee: ELEKTRONIK MBH; TDK Micronas GmbH
Current assignee: ELEKTRONIK MBH; TDK Micronas GmbH
Priority date: 1961-05-12
Filing date: 1961-05-12
Publication date: 1965-08-12

Description

Verfahren zum Herstellen von Einkristallen Die Erzeugung von Einkristallen aus Kohlenstoff, Bor, Borkarbid, Bornitrid und Siliciumkarbid ist wegen ihrer Temperaturbeständigkeit außerordentlich schwierig. Das thermodynamische Gleichgewicht zwischen Graphit und Diamant wird erst bei Temperaturen von etwa 3300° C und Drücken von über 30 000 atü erreicht. Es ist bekannt durch Anwendung von Temperaturen über 2000° C und Drücken von 105 atü über längere Zeit Diamantkristalle bis zu einem Karat zu erzeugen. Es werden dabei die Entstehungsbedingungen der natürlichen Diamanten nachgeahmt.Method for producing single crystals The production of single crystals is made of carbon, boron, boron carbide, boron nitride and silicon carbide because of their temperature resistance extremely difficult. The thermodynamic equilibrium between graphite and Diamond becomes only at temperatures of around 3300 ° C and pressures of over 30,000 atü reached. It is known from the use of temperatures above 2000 ° C and pressures from 105 atmospheres to produce diamond crystals of up to one carat over a longer period of time. It the conditions in which natural diamonds were created are mimicked.

Neben dem Vorkommen natürlicher Diamanten im Kimberlit sind jedoch in neuerer Zeit Diamantkristalle auch in Meteoriten festgestellt worden. Untersuchungen haben ergeben, daß sie ihre Entstehung einer sehr kurzzeitigen Erhitzung auf höchste Temperaturen beim Aufprall des Meteors auf die Erdatmosphäre und -oberfläche verdanken.In addition to the occurrence of natural diamonds in the kimberlite are however recently diamond crystals have also been found in meteorites. Investigations have shown that their emergence is a very brief heating to the highest Temperatures at the impact of the meteor on the earth's atmosphere and surface.

Die Erfindung geht von dieser neuen Erkenntnis aus, bei der offenbar der Faktor »Zeit« bei der Bildung des Diamantgitters nicht die Rolle spielt, wie man bisher angenommen hatte. Sie gibt ein Verfahren an, mit dessen Hilfe es möglich ist, den relativ kurzzeitigen Prozeß der Diamantbildung in der Oberflächenzone von Meteoren nachzuahmen und Einkristalle aus Kohlenstoff, Bor, Borkarbid, Bornitrid und Siliciumkarbid durch Erhitzen des unter allseitigen hohen Druck gesetzten, zu kristallisierenden Materialsmittels elektrischemStrom und anschließendem Abkühlen herzustellen, wobei erfindungsgemäß zum Erhitzen eine kurzzeitige, elektrische Kondensatorentladung derart angewendet wird, daß das zu kristallisierende Material verdampft.The invention is based on this new knowledge, in which apparently the "time" factor in the formation of the diamond lattice does not matter how had previously been assumed. It gives a procedure with the help of which it is possible is, the relatively short-term process of diamond formation in the surface zone of Mimicking meteors and making single crystals of carbon, boron, boron carbide, boron nitride and silicon carbide by heating the high pressure on all sides crystallizing material by means of an electric current and subsequent cooling produce, according to the invention, a brief electrical capacitor discharge for heating is applied in such a way that the material to be crystallized evaporates.

In der schematischen Zeichnung wird eine Einrichtung, mit deren Hilfe das Verfahren nach der Erfindung durchgeführt werden kann, erläutert.The schematic drawing shows a device with the help of which the method according to the invention can be carried out explained.

10 stellt eine Druckkammer dar, in der das zu kristallisierende Material l allseitig von druckfesten Wänden umgeben ist.10 shows a pressure chamber in which the material to be crystallized l is surrounded on all sides by pressure-resistant walls.

Die Druckkammer 10 besteht aus einem inneren zylinderförmigen Rohr 2 aus Isoliermaterial, z. B. Korund, und einem zweiten, etwas größeren und längeren zylinderförmigen Rohr 3 aus dem gleichen Material. Zur Erhöhung der Druckfestigkeit, um die Druckkammer explosionsfest zu machen, kann auf das äußere Korundrohr ein Stahlzylinder 4 aufgeschrumpft werden. Das eine Ende der beiden konzentrischen Korundrohre wird durch einen Stempel 6 aus hochschmelzendem, elektrisch leitendem Material, z. B. aus Wolframkarbid, dicht verschlossen. Das eine Ende dieses Stempels ist an einer starren Wand 7 fest gelagert. Das andere Ende 6a ist so ausgebildet, daß es in die Öffnungen der konzentrischen Korundrohre genau paßt. In das andere Ende der beiden konzentrischen Korundrohre wird ein ebenso ausgebildeter, jedoch beweglicher Stempel s mit seinem der Form der Korundrohre angepaßten Ende 5 a eingeführt. Dieser Stempel kann, z. B. auf hydraulischem Wege, einen sehr hohen Druck auf das zu kristallisierende Material ausüben. Als Gegenlager dient dabei der feste Stempel 6. über die beiden Wolframkarbidstempel5 und 6 wird eine Hochspannungskondensatorbatterie 11 mit einer Funkentladungsstrecke 8, 9 kurzgeschlossen.The pressure chamber 10 consists of an inner cylindrical tube 2 made of insulating material, e.g. B. corundum, and a second, somewhat larger and longer cylindrical tube 3 made of the same material. To increase the compressive strength and to make the pressure chamber explosion-proof, a steel cylinder 4 can be shrunk onto the outer corundum tube. One end of the two concentric corundum tubes is secured by a punch 6 made of high-melting, electrically conductive material, e.g. B. made of tungsten carbide, tightly closed. One end of this stamp is firmly mounted on a rigid wall 7. The other end 6a is designed so that it fits exactly into the openings of the concentric corundum tubes. In the other end of the two concentric corundum tubes a similarly designed, but movable punch s is inserted with its end 5 a adapted to the shape of the corundum tubes. This stamp can, for. B. hydraulically to exert a very high pressure on the material to be crystallized. The fixed punch 6 serves as a counter bearing. A high-voltage capacitor battery 11 is short-circuited with a spark discharge path 8, 9 via the two tungsten carbide punches 5 and 6.

Zur Durchführung des Verfahrens wird zunächst ein Stück des zu kristallisierenden Materials 1, z. B. eine Pille aus Kohlenstoff, vorgepreßt und in die durch den festen Stempel 6 am einen Ende verschlossenen Korundzylinder der Druckkammer 10 eingeführt. In das noch offene Ende der Korundzylinder wird der andere Wolframkarbidstempel 5 eingeführt und unter Anwendung sehr hoher Drücke gegen die Kohlenstoffpille 1 gepreßt. Man verwendet dabei Drücke von etwa 100 t/cm2. Die Hochspannungskondensatorbatterie 11 wird durch einen Hochspannungsgenerator 12 aufgeladen. Zu diesem Zweck wird der Ladekreis geschlossen, indem der eine Pol 9 der Funkenstrecke die in der Zeichnung durch gestrichelte Linien angedeutete Stellung und mit dem Kontakt 13 in Berührung gebracht.To carry out the method, a piece of the material to be crystallized 1, for. B. a pill made of carbon, pre-pressed and inserted into the corundum cylinder of the pressure chamber 10, which is closed by the fixed punch 6 at one end. The other tungsten carbide punch 5 is inserted into the still open end of the corundum cylinder and pressed against the carbon pill 1 using very high pressures. Pressures of around 100 t / cm2 are used. The high voltage capacitor battery 11 is charged by a high voltage generator 12. For this purpose, the charging circuit is closed in that one pole 9 of the spark gap is brought into contact with the position indicated by dashed lines in the drawing and with the contact 13.

Nach dem Aufladen der Hochspannungskondensatorbatterie wird der Pol 9 der Funkenstrecke nach oben geklappt, so daß der Entladekreis der Hochspannungskondensatorbatterie über dieFunkenstrecke kurzgeschlossen ist. Die Kondensatorbatterie muß so bemessen sein, daß sie Spannungen von 100 bis 200 kV aufzunehmen in der Lage ist und einen Energieinhalt von etwa 50 000 Ws besitzt. Der bei der Funkentladung über die Kohlenstoffpille 1 fließende Strom wird im wesentlichen von der Induktivität im Entladungskreis, der Kondensatorspannung und dem Widerstand der Pille bestimmt. Bei genügend kurzzeitiger und hoher Energieaufnahme wird sich die Kohlenstoffpille in Zeiten von größenordnungsmäßig 10-s Sekunden bis über den Siedepunkt von Kohlenstoff erhitzen. Die wesentlich langsamere Abkühlung dieses durch den Stempeldruck hochkomprimierten Gases erfolgt am schnellsten an den Wolframkarbidstempeln, so daß die Erstarrungsfront des Kohlenstoftkristalls von den Stempeln aus gleichmäßig zur Mitte läuft, sofern man die Wärmeabgabe an den Korundzylinder vernachlässigen kann.After the high-voltage capacitor battery has been charged, the pole 9 of the spark gap is folded up so that the discharge circuit of the high-voltage capacitor battery is short-circuited via the spark gap. The capacitor bank must be dimensioned so that it is able to absorb voltages of 100 to 200 kV and has an energy content of around 50,000 Ws. The current flowing through the carbon pill 1 during the spark discharge is essentially determined by the inductance in the discharge circuit, the capacitor voltage and the resistance of the pill. Given a sufficiently short and high energy consumption, the carbon pill will heat up to above the boiling point of carbon in times of the order of 10 seconds. The significantly slower cooling of this gas, which is highly compressed by the punch pressure, takes place fastest at the tungsten carbide punches, so that the solidification front of the carbon crystal runs evenly from the punches to the center, provided that the heat dissipation to the corundum cylinder can be neglected.

Die elektrische Aufheizung des zu kristallisierenden Materials kann auch in einer isolierenden Flüssigkeit unter hohem Druck an Stelle der Korundzylinder vorgenommen werden. Durch die Bildung eines Gasmantels um das zu kristallisierende Material bleibt der Mantel des zu kristallisierenden Materials thermisch besser isoliert.The electrical heating of the material to be crystallized can also in an insulating liquid under high pressure in place of the corundum cylinder be made. By forming a gas jacket around the material to be crystallized Material, the jacket of the material to be crystallized remains thermally better isolated.

Durch die hohen angelegten Kondensatorspannungen tritt eine lawinenartige Aufheizung des Materials ein. Zur Erzielung einer höheren Leitfähigkeit zu Beginn. des Prozesses ist es auch möglich, das zu kristallisierende Material vor der eigentlichen kurzzeitigen Energiezufuhr, z. B. durch einen konstanten Strom, vorzuheizen.An avalanche-like effect occurs due to the high capacitor voltages applied Heating of the material. To achieve a higher conductivity at the beginning. It is also possible to process the material to be crystallized before the actual process short-term energy supply, e.g. B. by a constant current to preheat.

Um die Anwendung der gebildeten Einkristalle auch für spezielle Zwecke bei Halbleitermaterialien zu ermöglichen, kann man vor dem Verpressen der zu kristallisierenden Pille eine geeignete Dotierungssubstanz zufügen.The application of the single crystals formed also for special purposes To enable semiconductor materials, one can before pressing the to be crystallized Add a suitable dopant to the pill.

Claims

Claims: 1. Method for producing single crystals from Carbon, boron, boron carbide, boron nitride and silicon carbide by heating the under High pressure on all sides to be crystallized material by means of electrical Electricity and subsequent cooling, that is to say a brief electrical capacitor discharge is applied in this way for heating is that the material to be crystallized evaporates.

2. The method according to claim 1, characterized in that the material to be crystallized is preheated.

3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the to be crystallized Material is exposed to pressures of 100 t / cm2, which are maintained during evaporation will.

4. The method according to claims 1 to 3, characterized in that the Material is supplied with an energy of 50,000 Ws in 10 seconds.

5. Procedure according to claims 1 to 4, characterized in that the to be crystallized Material switched into the discharge circuit of a high-voltage capacitor bank will.

6. The method according to claim 2, characterized in that the to be crystallized Material is preheated by a constant electric current. Into consideration drawn documents: USA: Patent No. 2,947,617; Chimia, 14: 162 (1960); Chem. Techn., 12, (1960), 9, 531; J. R. OConnor, J. Smiltens: ".SiliconCarbide", Pergamon Press, 1960, pp. 41 to 134.