DE19652171A1

DE19652171A1 - Verfahren zur thermischen Isolation induktiv geheizter Tiegel und Schmelzen in der Kristallzucht mit kohlenstoffgebundenen Kohlenstofffasern

Info

Publication number: DE19652171A1
Application number: DE1996152171
Authority: DE
Inventors: Eric Mix; Livio Fornasiero; Klaus Dr Petermann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-12-14
Filing date: 1996-12-14
Publication date: 1998-06-18

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Dieses Verfahren besteht darin, daß kohlenstoffgebundene Kohlenstoffasern zur thermischen Isola tion induktiv geheizter Tiegel und Schmelzen eingesetzt werden.

In der Kristallzucht verwendete induktionsgeheizte Schmelztiegel müssen hinreichend ther misch isoliert werden, um übergroße Leistungsverluste durch Abstrahlung zu verhindern. Gleichzeitig stützt die Isolation den Tiegel und gewährleistet seinen stabilen Stand während der Zucht.

Materialien zur thermischen Isolation induktionsgeheizter Tiegel müssen unter den während der Kristallzucht gegebenen hohen Temperaturen und der verwendeten Gasatmosphäre chemi sche und mechanische Stabilität bewahren.

Weitere notwendige Eigenschaften des Isolationsmaterials sind eine geringe thermische Leit fähigkeit und ein hoher elektrischer Widerstand für Ströme im Hoch- und Mittelfrequenzbe reich, wie sie durch die bei Induktionsheizung abgestrahlten elektromagnetischen Felder indu ziert werden.

Gängige Isolationsmaterialien induktiv geheizter Tiegel sind Rohre, Keramikgewebe und Gra nalien aus ZrO₂, Al₂O₃, HfO₂, MgO und ähnlichen Substanzen (s. Wilke, Bohm: Kristallzüch tung, Verlag Harri Deutsch, Thun, Frankfurt a. M. 1988, S. 580).

Die genannten bisher üblichen Materialien zur Isolation induktiv beheizter Tiegel basieren auf oxidischen Keramiken, die bei hohen Temperaturen Sauerstoff abspalten können. Der Sauer stoff diffundiert von der Isolation in die Zuchtatmosphäre und beeinträchtigt im Fall nichtoxi discher Kristalle wie Fluoride, Sulfide und Bromide stark das Wachstum und die Qualität. Oxidische Keramiken lassen sich außerdem nicht für die Isolation von Graphit- und Glaskoh letiegeln im Temperaturbereich von 2000°C-3000°C einsetzen.

Isolierende Kombinationen von Keramikrohren, -geweben und Granalien erfordern häufig zeit aufwendige Justage und sind unpraktisch zu handhaben.

Keramikgewebe aus Al₂O₃ und ZrO₂ sind wegen der geringen Durchmesser der Keramikfasern von ca. 3-6 µm lungengängig und daher gesundheitlich nicht unbedenklich.

Isolationsmaterialien auf der Basis von reinem Kohlenstoff wurden bisher ausschließlich zu Isolation widerstandsgeheizter Tiegel verwendet. Überraschenderweise ist jedoch die induk tive Leistungseinkopplung in kohlenstoffgebundene Kohlenstoffasern im Mittel- und Hoch frequenzbereich hinreichend gering für eine Verwendung des Materials zur Isolation induk tionsgeheizter Tiegel.

Kohlenstoffgebundene Kohlenstoffasern spalten keinen Sauerstoff ab. Sie können mit induk tiv beheizten Graphit-, Glaskohle- und Edelmetalltiegeln bis in höchste Temperaturbereiche eingesetzt werden. Auch carbidbildende unedele Tiegelmaterialien sind einsetzbar, wenn ent sprechend Anspruch 2 um den Tiegel eine kleine Gasstrecke von 0.5 mm-10 mm belassen und der Tiegel von oben in einer Aufhängung oder von unten auf einem Podest gehaltert wird.

Aufbauten aus kohlenstoffgebundenen Fasern sind leicht und schnell justiert. Die Kohlefasern sind absolut ungiftig.

Kohlenstoffgebundene Kohlenstoffasern bestehen vollständig (< 99.9%) aus Kohlenstoff. Sie spalten daher in Reinstform keinen Sauerstoff ab, sondern reagieren mit Sauerstoff bei höheren Temperaturen zu CO, das in der Zuchtatmosphäre zu CO₂ aufoxidiert werden kann und daher stark reduzierende Zuchtbedingungen einführt.

Die mögliche Anwendbarkeit als Isolation von Graphit- und Glaskohletiegeln erstreckt sich auf Temperaturen von bis zu 3000°C.

Kohlenstoffgebundene Kohlenstoffasern sind leicht mechanisch zu bearbeiten. Ein Isolations aufbau aus kohlenstoffgebundenen Kohlenstoffasern besteht aus einem oder mehreren Stücken des Materials, die den Tiegel umgeben. Ein Isolationsaufbau kann daher schnell her gestellt werden.

Die Kohlestoffasern haben eine Dicke von ca. 7 µm. Da Kohlenstoff im Körpergewebe schnell abgebaut wird, besteht keine Gefahr einer Anreicherung in den Atemwegen.

Kohlenstoffgebundene Kohlenstoffasern sind im Vergleich zu anderen Isolationsmaterialien sehr preisgünstig. Grundstoff sind carbonisierte Kunststoffasern. Werkstücke können entwe der vor der Carbonisierung mit den gängigen Methoden der Kunststofftechnik geformt wer den, lassen sich aber auch nach der Carbonisierung leicht mechanisch bearbeiten.

Isolationen aus kohlenstoffgebundenen Kohlenstoffasern haben aufgrund ihrer schwammar tigen Konsistenz hervorragende thermische Isolationseigenschaften und im Mittel- und Hoch frequenzbereich eine hinreichend geringe elektrische Leitfähigkeit. Sie sind wiederverwendbar.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden näher beschrieben.

Ausführungsbeispiel 1 (siehe Abb. 1)

Ein Schmelztiegel (1), der aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere etwa Glas kohle, Graphit, Platin, Gold, Iridium, Molybdän, Wolfram, Tantal, Rhenium oder Legierungen derselben besteht, ist von einem Hohlzylinder aus kohlenstoffgebundenen Kohlenstoffasern (2) umgeben. Tiegel und Hohlzylinder stehen auf einem Vollzylinder aus kohlenstoffgebunde nen Kohlenstoffasern (3), der den Tiegel nach unten thermisch isoliert. Die Heizung erfolgt durch ein elektromagnetisches Wechselfeld, das von einer stromdurchflossenen Spule (4) er zeugt wird und Ringströme im Tiegel induziert. Der Aufbau kann äußerlich durch ein Quarz glas- oder Keramikrohr (5) stabilisiert werden.

Wenn keine elektrischen Überschläge zwischen Spule und Tiegel zu befürchten sind, kann der Isolationsaufbau unter Verzicht auf das äußere Quarzglas- bzw. Keramikrohr in einem Stück aus kohlenstoffgebundenen Kohlenstoffasern gefertigt werden.

Als Zuchtatmosphären kommen z. B. Edelgase, etwa Argon und Helium, und andere Gase in Frage, die nicht mit reinem Kohlenstoff reagieren.

Ausführungsbeispiel 2 (siehe Abb. 2)

Der Schmelztiegel (1) hängt an mehreren Streben (2) aus einem thermisch und chemisch be ständigen Material, die von oben z. B. von einem aufliegenden Keramikring (3) aus in die Iso lation hineinragen. Die Halterung kann so geartet sein, daß die Streben fest mit dem Tiegel verbunden (z. B. verschweißt) sind oder der Tiegel in entsprechende Nuten von den Streben eingehakt wird oder die Streben unterhalb des Tiegels verbunden sind, so daß der Tiegel in dieses Gerüst hineingestellt werden kann. Der Tiegel ist durch eine Gasstrecke von der Isola tion aus kohlenstoffgebundenen Kohlenstoffasern (4, 5) getrennt. Alternativ kann der Tiegel auch auf einen Sockel aus Keramik, Glas oder Metall gestellt werden, so daß nirgendwo ein direkter Kontakt zwischen Tiegel und Kohlefasern besteht. Dadurch, daß nirgendwo ein direk ter Kontakt zwischen Tiegel und kohlenstoffgebundenen Kohlenstoffasern besteht, können auch Tiegel aus unedlen carbidbildenden Materialien verwendet werden, wie z. B. Molybdän, Wolfram, Tantal, Rhenium und deren Legierungen. Der Aufbau kann äußerlich durch ein Quarzglas- oder Keramikrohr (6) stabilisiert werden. Die Induktionsspule (7) bewirkt durch ein elektromagnetisches Wechselfeld die Heizung des Tiegels.

Als Zuchtatmosphären kommen auch hier Edelgase, z. B. Argon und Helium in Frage.

Die hier gezeigten Aufbauten mit zylindrischem Tiegel sind für die Zucht von Kristallen nach dem Czochralski-Verfahren geeignet. Weitere mögliche Zuchtmethoden sind die kontrollierte Auskristallisation der Schmelze nach Nacken und Kyropoulos durch langsames Abkühlen des Tiegels, das Bridgman-Verfahren und ähnliche.

Eine Verwendung von kohlenstoffgebundenen Kohlenstoffasern ist im direkten Kontakt mit verschiedenen leitfähigen Tiegelmaterialien bis zu folgenden Temperaturen möglich (Angaben nach Wilke, Bohm: Kristallzüchtung, S. 580; für Re aus eigenen Experimenten):

Glaskohle oder Graphit	3000°C
Iridium	2100°C
Platin	1600°C
Gold	900°C
Wolfram	1500°C
Rhenium	2300°C

Der Isolationsaufbau mit Gasstrecke um den Tiegel nach Ausführungsbeispiel 2 erlaubt eine Nutzung bis zu Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt des Tiegelmaterials.

Aus Platin- oder Gold-Tiegeln können in einer Isolation aus kohlenstoffgebundenen Kohlen stoffasern z. B. Fluoride, Sulfide und Bromide vorteilhaft hergestellt werden. In Glaskohle oder Graphittiegeln ist die Zucht von Fluoriden und Bromiden möglich. In mit kohlenstoffge bundenen Kohlefasern isolierten Iridiumtiegeln können hochschmelzende Oxide, z. B. die in der Lasertechnik bedeutenden Granat- und Perowskitkristalle gezüchtet werden.

Eine induktive Heizung leitfähiger Schmelzen von Metallen und Halbleitern ist auch in elek trisch isolierenden Tiegelmaterialien durch direkte Einkopplung in die Schmelze möglich.

Alternativ kann der Tiegel auch in einen Ring aus Graphit oder Metall gestellt werden, der als Suszeptor für das elektromagnetische Wechselfeld dient und den Tiegel heizt (Laudise: The growth of single crystals, Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, N.J., 1970, p. 193). Maximale Arbeitstemperaturen der kohlenstoffgebundenen Kohlenstoffasern im direkten Kontakt mit elektrisch isolierenden Tiegelmaterialien sind für

SiO₂	1000°C
Al₂O₃	1600°C
ZrO₂	1800°C
MgO	1700°C
ThO₂	1950°C

Wird eine Gasstrecke um den Tiegel belassen, kann der Isolationsaufbau bis zu Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt des Tiegelmaterials betrieben werden.

Aus Quarzglastiegeln in kohlenstoffgebundenen Kohlenstoffasern ist die Zucht von Halblei termaterialien wie Silizium und Germanium durch direkte Einkopplung in die Schmelze mög lich. Aus Keramiktiegeln lassen sich Einkristalle vieler Metalle züchten.

Für die Zucht hochgradig reiner Kristalle in der Halbleiter- bzw. Lasertechnik empfiehlt sich folgendes Verfahren: Vor der eigentlichen Zucht ist die Isolation aus kohlenstoffgebundenen Kohlenstoffasern mit einem Glaskohle- oder Graphittiegel auf 2800°C aufzuheizen. Unter die ser Temperatur verdampfen die meisten von den Kohlefasern adsorbierten Stoffe. Unmittelbar nach dem Abkühlen wird der eigentliche mit der Einwaage der aufzuschmelzenden Substanz befüllte Schmelztiegel in die ausgeheizte Isolation eingebaut und die Zucht durchgeführt.

Die kohlenstoffgebundenen Kohlenstoffasern können oberflächlich mit einem carbonisierten Lack versiegelt werden, um eine übermäßige Adsorption von Fremdstoffen im Material zu verhindern. Eine Induktion von Ringströmen in der carbonisierten Lackschicht und eine fara daysche Abschirmung des Schmelztiegels werden verhindert, wenn die Lackschicht in regel mäßigen Abständen durchritzt wird. Der Widerstand an den durchritzten Stellen ist genügend groß, um eine Ausbildung von Ringströmen zu unterbinden.

Beschreibung der Zeichnungen Abb. 1

Abb. 2

Der Schmelztiegel (1) hängt an mehreren Streben (2) aus einem thermisch und chemisch be ständigen Material, die von oben z. B. von einem aufliegenden Keramikring (3) aus in die Iso lation hineinragen. Die Halterung kann so geartet sein, daß die Streben fest mit dem Tiegel verbunden (z. B. verschweißt) sind oder der Tiegel in entsprechende Nuten von den Streben eingehakt wird oder die Streben unterhalb des Tiegels verbunden sind, so daß der Tiegel in dieses Gerüst hineingestellt werden kann. Der Tiegel ist durch eine Gasstrecke von der Isola tion aus kohlenstoffgebundenen Kohlenstoffasern (4, 5), bestehend aus einem Unterteil (5), der als Vollzylinder ausgeführt ist, sowie einem in Form eines Hohlzylinders gefertigten Oberteil (4), getrennt. Alternativ kann der Tiegel auch auf einen Sockel aus Keramik, Glas oder Metall gestellt werden, so daß nirgendwo ein direkter Kontakt zwischen Tiegel und Kohlefasern besteht. Dadurch, daß nirgendwo ein direkter Kontakt zwischen Tiegel und koh lenstoffgebundenen Kohlenstoffasern besteht, können auch Tiegel aus unedlen carbidbilden den Materialien verwendet werden, wie z. B. Molybdän, Wolfram, Tantal, Rhenium und deren Legierungen. Der Aufbau kann äußerlich durch ein Quarzglas- oder Keramikrohr (6) stabili siert werden. Die Induktionsspule (7) bewirkt durch ein elektromagnetisches Wechselfeld die Heizung des Tiegels.

Claims

1. Verfahren zur thermischen Isolation von induktiv beheizten Tiegeln, und Schmelzen in der Kristallzucht, dadurch gekennzeichnet, daß kohlenstoffgebundene Kohlenstoffasern als thermische Iso lation eines Tiegels innerhalb einer Induktionsspule verwendet werden können, ohne daß Tiegel oder Schmelzen dadurch vom elektromagnetischen Wechselfeld abgeschirmt wer den.

2. Isolationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen Tiegel und kohlenstoffgebundenen Kohlenstoffasern eine 0,5 mm bis 10 mm breite Gasstrecke befindet.

3. Isolationsverfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es zur thermischen Isolation induktionsbeheizter Tiegel und Schmelzen während der Kristallzucht von Oxiden, Bromiden, Sulfiden, Fluoriden, Halblei tern und Metallen nach dem Czochralski-, dem Nacken-Kyropoulos-, dem Bridgman-Ver fahren o. ä. angewendet werden kann.

4. Isolationsverfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß es als thermische Isolation von induktionsbeheizten Glas kohle- und Graphittiegeln bis zu Temperaturen von 3000°C eingesetzt werden kann.

5. Isolationsverfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß es als thermische Isolation von induktionsbeheizten Metalltie geln verwendet werden kann.

6. Isolationsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ohne direkten mechanischen Kontakt zwischen Isolation und Tiegel auch carbidbildende Tiegelmaterialien oder Materialien, die mit Kohlenstoff ein Eu tektikum bilden verwendet werden können, wie Mo, Ta, W, Re.

7. Isolationsverfahren nach Anspruch 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß es als thermische Isolation von induktionsbeheizten Mo-, Ta-, W-, Re-Tiegeln bis zu Temperaturen von 3000°C eingesetzt werden kann.

8. Isolationsverfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß es zur thermischen Isolation von Tiegeln aus Keramik oder Quarzglas herangezogen werden kann, in denen elektrisch leitfähige Schmelzen von Metal len und Halbleitern induktiv beheizt werden.

9. Isolationsverfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß es zur thermischen Isolation eines induktiv beheizten Suszep tors, der einen Quarzglas- oder Keramiktiegel heizt, verwendet werden kann.

10. Isolationsverfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch kohlenstoffgebundene Kohlenstoffasern eine stark reduzierende Zuchtatmosphäre geschaffen wird.

11. Isolationsverfahren nach Anspruch 1, 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Isolationsbestandteilen aus kohlenstoffgebundenen Kohlenstoffasern eine carbonisierte oberflächliche Beschichtung aufgebracht ist, die die mechanische Stabilität und Formbeständigkeit des Materials erhöht und ein Ablösen einzel ner Kohlenstoffasern erschwert, wobei die Induktion von Wirbelströmen in der Beschich tung dadurch unterbunden wird, daß die Schicht in regelmäßigen Abständen unterbrochen ist.