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DE20122681U1 - Device for growing large volume single crystals has heating element arranged on side walls of melt crucible to prevent lateral radial heat flow - Google Patents

Device for growing large volume single crystals has heating element arranged on side walls of melt crucible to prevent lateral radial heat flow Download PDF

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DE20122681U1
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crystal
heating
melt
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crucible
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Schott AG
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Abstract

Device for growing large volume single crystals comprises a housing (10) in which a melt crucible (20) with side walls (22), a base (24), a top opening (26) facing the base and optionally a lid (28) are located; and at least one heating element (50, 50'). At least one heating element is arranged on the side walls of the melt crucible (20) to prevent lateral radial heat flow. An independent claim is also included for a process for growing large volume single crystals using the above device. Preferred Features: The elements arranged on the side walls prevent lateral heat flow so that a planar solid/liquid phase boundary surface is formed during crystal growth which has a bending radius of at least 1 m. The base of the crucible has a conical shape.

Description

Die Erfindung betrifft neue großvolumige Einkristalle einheitlicher Orientierung, insbesondere für die Photolithographie.The Invention relates to new large volume Single crystals of uniform orientation, in particular for photolithography.

Einkristalle zeichnen sich dadurch aus, dass sie über ihr gesamtes Volumen hinweg eine einheitliche Orientierung aufweisen. Dies ist eine Voraussetzung dafür, daß eine hohe optische Homogenität im gesamten Kristallvolumen vorliegt. Aus diesem Grunde eignen sie sich hervorragend zur Verwendung in der optischen Industrie oder auch als Ausgangsmaterial für optische Komponenten in der DUV-Fotolithographie wie für Stepper oder Excimerlaser.Single crystals are characterized by being over their entire volume have a uniform orientation. This is a requirement for this, that one high optical homogeneity present in the entire crystal volume. That's why they are suitable Excellent for use in the optical industry or also as starting material for optical components in DUV photolithography as for steppers or excimer laser.

Das Züchten von Einkristallen aus der Schmelze ist an sich bekannt. In Lehrbüchern zur Kristallzucht wie beispielsweise dem 1088 Seiten umfassenden Werk von K.-Th. Wilke und J. Bohm, "Kristallzüchtung" werden die unterschiedlichsten Verfahren zum Züchten von Kristallen beschrieben, wovon im folgenden die häufigsten Techniken kurz erwähnt werden. Prinzipiell können Kristalle aus der Gasphase, der Schmelze, aus Lösungen oder sogar aus einer festen Phase durch Rekristallisation oder Festkörperdiffusion gezüchtet werden. Diese sind jedoch meist nur für den Labormaßstab gedacht und nicht für die großtechnisch industrielle Fertigung geeignet. Die wichtigsten großtechnischen Schmelzzüchtungsverfahren zur Herstellung von Kristallen sollen im folgenden kurz erläutert werden.The Breed single crystals of the melt is known per se. In textbooks on crystal growing such as the 1088 pages comprehensive work of K.-Th. Wilke and J. Bohm, "Crystal Growth" are a variety of methods to breed of crystals, of which the most common Techniques briefly mentioned become. In principle, you can Crystals from the gas phase, the melt, from solutions or even from one solid phase can be grown by recrystallization or solid-state diffusion. These are usually only for the laboratory scale thought and not for the large-scale suitable for industrial production. The main industrial Melt grow process for the production of crystals will be briefly explained below.

Beim Czochralski-Verfahren wird ein leicht gekühlter Kristallkeim mittels eines Fingers in einen Tiegel mit geschmolzenem Kristallrohmaterial eingetaucht und langsam vorzugsweise unter Rotation herausgezogen. Dabei wächst beim Herausziehen ein größerer Kristall an.At the Czochralski method is a slightly cooled crystal nucleus using a finger into a crucible with molten crystal raw material immersed and slowly pulled out, preferably with rotation. It grows when pulling out a larger crystal at.

Dieses Verfahren hat zum Nachteil, daß durch die Kühlung am Kristall relativ große Temperaturänderungen erzeugt werden, die zu einer spannungsinduzierten Anisotropie führen.This Method has the disadvantage that by the cooling on the crystal relatively large temperature changes are generated, which lead to a stress-induced anisotropy.

Beim vertikalen Bridgman-Verfahren wird in einem beweglichen Schmelztiegel ein Kristallrohmaterial mittels einem Heizmantel aufgeschmolzen, wobei dann der Tiegel in einem durch die Heizung aufgebauten axialen Temperaturgradienten aus dem Heizmantel heraus langsam nach unten abgesenkt wird, oder es wird alternativ bei feststehendem Tiegel eine bewegliche Heizeinrichtung nach oben verschoben, wobei sich die Schmelze abkühlt und ein zugesetzter Kristallkeim langsam wächst. In einer Variante hierzu, dem sogenannten Bridgman-Stockbager-Verfahren wird der bewegbare Tiegel in einem axialen Gradienten zwischen zwei übereinander angeordneten Heizmänteln, zwischen denen eine scharfe Temperaturstufe ausgebildet ist, unter Bildung eines Kristalles langsam abgesenkt.At the vertical Bridgman process is in a moving crucible a crystal raw material is melted by means of a heating mantle, in which case the crucible in an axial built by the heater Temperature gradient slowly out of the heating jacket is lowered, or it is alternatively a fixed crucible one movable heating device shifted upward, with the Melt cools and a seed added grows slowly. In a variant of this, the so-called Bridgman Stockbager method is the movable crucible in an axial gradient between two superposed heating jackets, between where a sharp temperature level is formed, forming a crystal slowly lowered.

Beim sogenannten Vertical Gradient Freeze-Verfahren (VGF-Verfahren) werden um den feststehenden Schmelztiegel herum mehrere übereinander liegende konzentrische Heizkreise mantelförmig angeordnet. Jeder dieser Heizkreise läßt sich getrennt ansteuern. Durch ein langsames Herunterfahren der Heizleistung jedes einzelnen um die Tiegelwand angeordneten Heizkreises läßt sich die Temperatur langsam unter den Kristallisationspunkt herabfahren, wodurch ein radialer Temperaturgradient entsteht, entlang dessen das Kristallwachstum stattfindet.At the so-called Vertical Gradient Freeze (VGF) method several above each other around the fixed crucible lying concentric heating circuits arranged jacket-shaped. Each of these Heating circuits can be drive separately. By slowing down the heating power Each individual heating circuit arranged around the crucible wall can be located slow down the temperature below the crystallization point, creating a radial temperature gradient along which the crystal growth takes place.

Bei der sogenannten Gradient-Solidification-Method (GSM) wird um einen feststehenden Schmelztiegel ein diesen ringförmig umgebender Heizkreis langsam herunter und wieder hoch gefahren.at the so-called gradient solidification method (GSM) is increased by one fixed crucible a ring surrounding this circular heating slowly down and up again.

Orientierte Einkristalle zeigen üblicherweise trotz allem keine homogene optische und mechanische Eigenschaften. Es ist wünschenswert, derartige Kristalle mit einer für den jeweiligen Gebrauchszweck geeigneten Kristallorientierung auszubilden. Dies wirft jedoch bei der Herstellung von großen Einkristallen besondere Probleme auf, da diese bei ihrer Zucht spontan die Orientierung, d.h. die Lage der Kristallachse ändern, was zu optisch inhomogenen Kristallen führt, bei denen die Lichtbrechung nicht in allen Bereichen gleich ist.oriented Single crystals usually show despite no homogeneous optical and mechanical properties. It is desirable Such crystals with a for to design the appropriate purpose of use suitable crystal orientation. This However, it gives rise to special problems in the production of large single crystals Problems, because they spontaneously orientate themselves during their breeding, i.e. change the position of the crystal axis, resulting in optically inhomogeneous crystals where the refraction of light not the same in all areas.

Bislang war es zwar möglich Kristalle herzustellen, welche einzelne dieser Eigenschaften aufweisen, jedoch war es bislang nicht möglich, großvolumige einheitlich orientierte Kristalle zu züchten, die frei von Konvergenzen sind, die optisch hoch homogen sind, eine hohe Transmission aufweisen und sich zudem bei Belichtung mit einer starken Strahlungsquelle nicht verfärben.So far it was possible To produce crystals that have single of these properties, however, so far it has not been possible high volume to grow uniformly oriented crystals that are free of convergences are optically highly homogeneous, have a high transmission and also when exposed to a strong radiation source do not discolor.

Bei den bisherig bekannten Vorgehensweisen, beispielsweise bei der Herstellung von großen Calciumfluorid-Einkristallen, wurde versucht den Kristall in Richtung der {111}-Achse zu züchten, jedoch war dabei die Ausbeute sehr gering, d.h. nur ca. 6–8 % der Züchtungsvorgänge führte zur befriedigenden Größe. Da es sich bei derartigen Kristallzüchtungsverfahren um einen Prozess mit ca. 6-wöchiger Laufzeit handelt, und die Anzahl derartiger Züchtungsanlagen aus Kostengründen be schränkt ist, entstand lediglich eine geringe Ausbeute. Zudem war es mit den bisherigen Verfahren nicht möglich, großvolumige, insbesondere sich weit in alle drei Raumrichtungen erstreckende Einkristalle, d.h. vorzugsweise runde Kristalle mit einem Durchmesser von > 200 mm und einer Höhe von > 100 mm herzustellen, da sich bei solchen Dimensionen innerhalb des Kristallvolumens regelmäßig Blöcke ausbilden, d.h. es kam zu einer Umorientierung der Kristallachsen. Darüber hinaus ist es bislang nicht gelungen, derartig große Kristalle in zufriedenstellender Weise auch optisch hoch homogen zu gestalten, d.h. dass die Lichtbrechung in allen Bereich gleich ist. Ein weiteres Problem für derartige Kristalle ist die Strahlungsfestigkeit, d.h. dass diese sich bei Belichtung mit einer starken Strahlungsquelle wie beispielsweise einem Laser nicht verfärben, was beispielsweise bei der großtechnischen Herstellung von Wafern zu einer Verringerung der Ausbeute führt.In the previously known procedures, for example in the production of large calcium fluoride monocrystals, attempts were made to grow the crystal in the direction of the {111} axis, but the yield was very low, ie only about 6-8% of the growth processes to the satisfactory size. Since it is a process with about 6-week duration in such crystal growing process, and the number of such breeding plants for cost reasons be limited, only a small yield. In addition, it was not possible with the previous methods, large-volume, in particular, far in all three spatial directions extending single crystals, ie preferably produce round crystals with a diameter of> 200 mm and a height of> 100 mm, since at such dimensions within the crystal volume train blocks regularly, ie there was a reorientation of the crystal axes. Moreover, it has not yet been possible to make such large crystals in a satisfactory manner optically highly homogeneous, ie that the refraction of light is the same in all areas. Another problem for such crystals is the radiation resistance, ie that they do not discolor when exposed to a strong radiation source such as a laser, which leads to a reduction in the yield, for example, in the large-scale production of wafers.

Es ist bereits versucht worden, große Einkristalle dadurch herzustellen, dass diese in Form von Platten gezüchtet werden. So beschreibt beispielsweise die EP-A-0 338 411 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum kontrollierten Wachstum von großen Einkristallen in Plattenform aus einer Schmelze, bei der ein Schmelztiegel mit einem rechteckigen Querschnitt derart ausgestaltet ist, dass dieser verhältnismäßig breite und zwei verhältnismäßig schmale Seitenwände aufweist und wobei unmittelbar eng an die breiten Seiten Heizeinrichtungen angeordnet sind. Dabei wird nach dem Aufschmelzen der Tiegel mittels eines Aufzugs langsam aus dem Heizmantel abgesenkt, wodurch sich dessen Inhalt abkühlt und auskristallisiert. Mit diesem Verfahren ist es zwar möglich große orientierte Einkristallplatten herzustellen, diese weisen jedoch keine ausreichende Ausdehnung in alle drei Raumrichtungen auf.It has already been tried to produce large single crystals by that these are bred in the form of plates. So describes For example, EP-A-0 338 411 discloses an apparatus and a method for controlled growth of large single crystals in sheet form from a melt in which a crucible with a rectangular cross-section is configured such that this relatively wide and two relatively narrow side walls and closely adjacent to the wide sides of heaters are arranged. In this case, after melting the crucible means a lift slowly lowered from the heating mantle, resulting in whose contents cool and crystallized. Although it is possible with this method large oriented However, these do not have sufficient Expansion in all three spatial directions.

Die Erfindung hat daher zum Ziel, derartige großvolumige Kristalle bereitzustellen, die in einer beliebig gewählten Einstellung entlang ihrer {h,k,l-Achsen} vorzugsweise in der {111} oder {112}-Orientierung gezüchtet sind.The The invention therefore aims to provide such bulky crystals, in any chosen Adjustment along their {h, k, l axes} preferably in the {111} or {112} orientation are.

Die Erfindung hat weiterhin zum Ziel, derartige großvolumige Kristalle bereitzustellen, die sich weit in alle drei Raumrichtungen erstrecken.The Another object of the invention is to provide such large-volume crystals, which extend far in all three spatial directions.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß mit den in den Ansprüchen definierten Kristallen erreicht.This The aim of the invention with the in the claims reached defined crystals.

Es wurde nämlich überraschenderweise gefunden, dass sich großvolumige Kristalle in bislang nicht bekannter optischer Qualität dadurch herstellen lassen, wenn man diese mit einem axial d.h. parallel zur Wachstumsrichtung verlaufenden Temperaturgradienten bzw. einem axial verlaufenden Wärmefluss züchtet und dabei einen hierzu senkrecht verlaufenden radialen seitlichen Wärmefluss vermeidet. Dabei wird eine möglichst ebene Grenzfläche zwischen fester kristalliner und geschmolzener flüssiger Phase ausgebildet. Im Gegensatz dazu wird beim Stand der Technik überwiegend ein seitlicher radialer Wärmefluss erzeugt, entweder als alleinige Wärmezu- bzw. Wärmeabfuhr oder zusammen mit oberhalb und unterhalb eines Schmelztiegels angeordneter Heizelemente.It was in fact surprising found that large-volume Crystals in hitherto unknown optical quality thereby when prepared with an axial i. parallel to Growth direction extending temperature gradient or an axial running heat flow breeds and at the same time a radial lateral heat flow avoids. This is one possible level interface between solid crystalline and molten liquid phase educated. In contrast, the prior art becomes prevalent a lateral radial heat flow generated, either as the sole Wärmezu- or heat dissipation or together with heating elements arranged above and below a crucible.

Die Erfindung betrifft daher großvolumige Einkristalle, welche einen Durchmesser von mindestens 200 mm vorzugsweise mindestens 250 mm und insbesondere mindestens 300 mm sowie eine Höhe von mindestens 100 mm vorzugsweise 130 mm und insbesondere mindestens 140 mm aufweisen. Sie zeigen eine äußerst große optische Homogenität über das gesamte Kristallvolumen hinweg, d.h. dass die maximale Änderung der Brechzahl der Lichtbrechung über das Kristallvolumen hinweg einen maximalen Unterschied von δn ≤ 3 × 10–6 vorzugsweise ≤ 2 × 10–6 insbesondere ≤ 1 × 10–6 aufweist und die Spannungsdoppelbrechung SDB < 3 nm/cm insbesondere < 2 nm/cm insbesondere < 1 nm/cm beträgt. Bevorzugte Kristallmaterialien sind MgF2, BaF2, SrF2, LiF und NaF, wobei CaF2 besonders bevorzugt ist.The invention therefore relates to large-volume single crystals having a diameter of at least 200 mm, preferably at least 250 mm and in particular at least 300 mm and a height of at least 100 mm, preferably 130 mm and in particular at least 140 mm. They show an extremely high optical homogeneity over the entire crystal volume, ie that the maximum change in the refractive index of the refraction across the crystal volume has a maximum difference of δn ≦ 3 × 10 -6, preferably ≦ 2 × 10 -6, in particular ≦ 1 × 10 . 6 and the stress birefringence SDB <3 nm / cm, in particular <2 nm / cm, in particular <1 nm / cm. Preferred crystal materials are MgF 2 , BaF 2 , SrF 2 , LiF and NaF, with CaF 2 being particularly preferred.

Die erfindungsgemäßen großvolumigen Einkristalle werden in einer Vorrichtung gezüchtet, die ein verschließbares Gehäuse, ein darin angeordnetes Schmelzgefäß sowie mindestens ein Heizelement umfasst, das eine Heizleistung erzeugt, die ausreicht um das im Schmelzgefäß vorliegende Kristallrohmaterial aufzuschmelzen und/oder bereits geschmolzene Kristallrohmasse im geschmolzenen Zustand zu halten.The large volume according to the invention Single crystals are grown in a device comprising a lockable housing arranged therein melting vessel and comprises at least one heating element that generates a heating power, sufficient for the present in the melting vessel crystal raw material to melt and / or already melted crystal raw mass in to keep molten state.

Das Schmelzgefäß ist vorzugsweise rundförmig. In besonderen Fällen kann es jedoch auch zweckmäßig sein, dass das Schmelzgefäß einen ovalen oder viereckigen Querschnitt aufweist. Das Schmelzgefäß umfasst einen inneren Aufnahmeraum, bzw.The Melting vessel is preferred round-shaped. In special cases but it may also be appropriate that the melting vessel is an oval or quadrangular cross-section. The melting vessel comprises an inner receiving space, or

Schmelzraum der gebildet wird aus dem Schmelzgefäßboden, seitlichen Wänden und einer dem Boden gegenüberliegenden oberen Öffnung.hearth which is formed from the melting pot bottom, side walls and a floor opposite upper opening.

In einer besonderen Ausführungsform ist die dem Boden gegenüberliegende obere Öffnung mittels einer Abdeckung verschlossen. Dabei ist die Abdeckung vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sie nicht gasdicht auf den Seitenwänden aufliegt, sondern beim Aufschmelzen entstehende abdampfende Verunreinigungen aus dem Schmelz- bzw. Kristallraum austreten läßt. Um den Schmelztiegel herum ist seitlich mindestens ein vorzugsweise mehrere Elemente angeordnet, die einen radialen seitlichen Wärmefluss verhindern. Vorzugsweise sind die seitlichen Elemente Wärmeisolatoren, insbesondere solche aus wär medämmendem Material. In einer besonderen Ausführungsform weist die Vorrichtung eine seitlich vom Schmelztiegel beabstandete Stützheizung auf, welche einen seitlichen Wärmefluss verhindern soll. Zweckmäßigerweise ist diese Stützheizung in einem Abstand vom Schmelzgefäß angeordnet, der ausreicht damit deren erzeugte Wärme keinen direkten Einfluss auf die Vorgänge in der Schmelze ausüben kann. Die Stützheizung dient lediglich dazu eventuelle, zwischen dem Schmelztiegel sowie den ihn umgebenden, wärmeflussverhindernden Elementen und der Umgebung auftretenden Temperaturgradienten auszugleichen. Er ist daher üblicherweise von den Wänden des Schmelztiegels durch eine dazwischen liegende Schicht aus Wärmeisolationselementen beabstandet. Vorzugsweise ist die Stützheizung als Mantelheizung ausgebildet.In a particular embodiment, the bottom opening opposite the upper opening is closed by a cover. In this case, the cover is preferably designed such that it does not rest gas-tight on the side walls, but leaves emerging during the melting evaporating impurities from the melting or crystal space. Around the crucible, at least one preferably several elements are arranged laterally, which prevent a radial lateral heat flow. Preferably, the lateral elements are heat insulators, especially those made of heat-insulating material. In a particular embodiment, the device has a laterally spaced from the crucible support heating, which should prevent lateral heat flow. Conveniently, this support heater is arranged at a distance from the melting vessel, which is sufficient so that their heat generated can exert no direct influence on the processes in the melt. The support heater is only possible, between the crucible and the compensate for its surrounding heat flow preventing elements and ambient temperature gradients. It is therefore usually spaced from the walls of the crucible by an intermediate layer of thermal insulation elements. Preferably, the support heater is designed as a jacket heater.

Der Boden des Schmelzgefäßes kann beliebig ausgestaltet sein. Üblicherweise ist er jedoch konusförmig abgesenkt. Er bildet dabei eine Pyramide oder vorzugsweise einen Kegel aus, wobei stumpfförmige Pyramiden oder Kegel besonders bevorzugt sind.Of the Bottom of the melting pot can be designed arbitrarily. Usually However, it is cone-shaped lowered. He forms a pyramid or preferably one Cone out, being frustoconical Pyramids or cones are particularly preferred.

Der Tiegelboden weist vorzugsweise eine nach unten austretende Tasche auf, die der Aufnahme eines Impf- oder Keimkristalles mit vorgegebener Orientierung dient. Die Keimtasche ist vorzugsweise in der Mitte des Bodens, d.h. an der Kegel- oder Pyramidenspitze angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Keimtasche insbesondere an ihrem unteren Ende ein Kühlelement auf. Dieses Kühlelement ist vorzugsweise ein mit Wasser gefülltes Kühlelement, welches den in der Keimtasche vorliegenden Impfkristall davor schützt, beim Schmelzen des Kristallrohmaterials vorzeitig an- oder aufgeschmolzen zu werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kühlelement beheizbar.Of the Crucible bottom preferably has a downwardly exiting pocket on, the inclusion of a seed or seed crystal with a predetermined orientation serves. The germinal bag is preferably in the middle of the soil, i.e. at the cone or Pyramid tip arranged. In a preferred embodiment the germ pocket has a cooling element, in particular at its lower end on. This cooling element is preferably a water-filled cooling element, which in the Germinating pocket protects the seed crystal from melting of the crystal raw material to be prematurely on or melted. In a preferred embodiment is the cooling element heated.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Schmelztiegel einen oberhalb des Schmelzraumes angeordneten erweiterten Pufferraum auf, der als Trichter zum Einfüllen des Kristallrohmaterials dient. Insbesondere dient er jedoch dazu, die von einer Deckelheizung abgegebene Wärmemenge zu equilibrieren, damit ein auf die Kristallmasse gleichmäßig einwirkender Wärmefluss erzeugt wird und eventuell an der Heizung entstehende lokale Temperaturunterschiede ausgeglichen werden. Vorzugsweise ist der eigentliche Schmelzraum mit einer wärmeleitenden Abdeckung versehen, die den Isolationsraum und den eigentlichen Schmelzraum trennt. Sie dient ebenso der Temperaturequilibrierung und besteht aus einem nur leicht wärmedämmendem bzw. isolierendem Material.In a preferred embodiment the crucible has one arranged above the melting space extended buffer space, which serves as a funnel for filling the Crystal raw material serves. In particular, he serves, however, the to equilibrate the amount of heat emitted by a lid heater, so that evenly acting on the crystal mass heat flow is generated and possibly occurring at the heating local temperature differences be compensated. Preferably, the actual melting space with a thermally conductive Cover provided the insulation space and the actual Melting room separates. It also serves the temperature equilibration and consists of a only slightly insulating or insulating material.

Die Vorrichtung weist nun mindestens ein oberhalb des Schmelzgefäßes angeordnetes Heizelement auf. Aufgrund des das Schmelzgefäß umgebenden, einen seitlichen Wärmefluss verhindernden Isolationselementes, entsteht durch Aufheizen dieses oberhalb des Schmelzgefäßes angeordneten Heizelementes, ein im Schmelzgefäß ausschließlich axial verlaufender Wärmefluss. Ein seitlicher Wärmefluss wird durch die Isolationselemente verhindert. Dieses obere Heizelement ist zweckmäßigerweise eine Deckelheizung.The Device now has at least one above the melting vessel arranged Heating element on. Due to the surrounding of the melting vessel, a lateral heat flow preventing insulation element, is created by heating this above the melting vessel arranged heating element, one in the melting vessel exclusively axial running heat flow. A lateral heat flow is prevented by the insulation elements. This upper heating element is suitably one Lid heating.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, zusätzlich zur Deckelheizung am Schmelzgefäßboden eine Bodenheizung anzubringen. Dabei läßt sich zwischen Deckelheizung und Bodenheizung ein noch besserer axialer Wärmefluß bzw. Temperaturgradient aufbauen, der besonders fein justierbar ist.It has proved to be advantageous, in addition to the lid heating on Melting vessel bottom a floor heating to install. It can be between lid heating and floor heating an even better axial Build up heat flow or temperature gradient, which is very finely adjustable.

Zweckmäßigerweise wird dabei die Bodenheizung derart unterhalb des Schmelzgefäßbodens angeordnet, dass diese die Keimtasche nicht mit einschließt oder zumindest gegenüber dieser isolierend beabstandet ist, um ein vorzeitiges ungewolltes Aufschmelzen des Kristallkeimes/Impfkristalles zu vermeiden.Conveniently, In this case, the bottom heating is arranged below the bottom of the crucible, that this does not include or at least isolate the germ pocket with respect to it is to premature unwanted melting of the crystal nucleus / seed crystal to avoid.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind sämtliche Heizelemente in eine das Schmelzgefäß umgebende Umhüllung aus Isolationsmaterial mit eingeschlossen, um auf diese Weise einen ungewollten und unkontrollierten Wärmefluss zu vermeiden.In a preferred embodiment are all Heating elements in an envelope surrounding the melting vessel Insulation material included to create this way to avoid unwanted and uncontrolled heat flow.

Es hat sich auch als zweckmäßig erwiesen an der Außenwand des Schmelzgefäßes möglichst ohne Abstand eng verlaufend ein oder mehrere Temperaturmesselemente anzuordnen. Vorzugsweise ist/sind das oder die Messelemente als Schiebeelement ausgebildet, welche von außen bei Betrieb der Vorrichtung längs der Seitenwand verschiebbar angebracht sind um so den vom Gefäßboden zum Gefäßdeckel axial verlaufenden Temperaturgradienten zu messen. Bevorzugte Messelemente sind Thermoelemente, Thermistoren und insbesondere Pyrometer.It has also proved to be useful the outer wall the melting vessel as possible without Distance closely running one or more temperature measuring elements to arrange. Preferably, the one or more measuring elements is / are as a sliding element trained, which from the outside during operation of the device along the side wall are slidably mounted around the so from the bottom of the vessel vessel cover to measure axially extending temperature gradient. Preferred measuring elements are thermocouples, thermistors and especially pyrometers.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Einrichtung auf, mit der die Grenze zwischen fester kristalliner und geschmolzener flüssiger Phase bestimmt werden kann. Als zweckmäßig hat sich hierfür ein Phasentaster erwiesen, der einen in einem hohlen Führungsrohr verlaufenden Taststab umfasst, welcher in das Schmelzgefäß reicht und wobei der Stab im Führungsrohr langsam nach unten abgesenkt werden kann, wobei die feste kristalline Phase ertastet wird. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform besteht der Phasentaster aus einem Ultraschallgerät, welches von oben in die Schmelze eintaucht und die an der Phasengrenzfläche reflektierten Schallwellen misst und auf diese Weise das Kristallwachstum bestimmt.In a particularly preferred embodiment the device has a device with which the boundary between solid crystalline and molten liquid phase can be determined. As appropriate has for this a phase switch proved, the one in a hollow guide tube extending probe rod which extends into the melting vessel and wherein the rod in the guide tube can be lowered slowly down to the solid crystalline Phase is felt. In another preferred embodiment the phase sensor consists of an ultrasonic device, which immersed in the melt from above and reflected at the phase interface Measures sound waves and determines the crystal growth in this way.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung einen oberhalb der Öffnung des Schmelztiegels angeordneten Kondensator auf, der eventuell austretende Materialdämpfe abscheidet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Gehäuse der Vorrichtung einen verschließ- und öffenbaren Deckel, über den das Schmelzgefäß mit Kristallrohmaterial beschickt werden und der fertige Kristall entnommen werden kann. Vorzugsweise weist das Gehäuse mindestens eine Öffnung zum Be- oder Entlüften des gesamten Innenraums auf. Über diese Öffnung kann das Innere der Vorrichtung unter Vakuum gesetzt und/oder ggf. mit einem Schutzgas gefüllt werden.In a further embodiment, the device has a capacitor arranged above the opening of the crucible, which separates any material vapors emerging. In a further preferred embodiment, the housing of the device comprises a closable and openable cover, via which the melting vessel can be charged with crystal raw material and the finished crystal can be removed. Preferably, the housing has at least one opening to Ventilate or vent the entire interior. About this opening, the interior of the device can be placed under vacuum and / or possibly filled with a protective gas.

Die innerhalb des Gehäuses angeordneten Elemente bestehen vorzugsweise aus Grafit. Dabei wird das Schmelzgefäß aus einem gut wärmeleitenden gepressten Grafit gebildet. Das Isolationsmaterial besteht vorzugsweise aus einem lose gepackten Grafit, insbesondere Faserwerkstoffen aus Grafitwolle oder Grafitmatten. Auch die Heizelemente sind zweckmäßigerweise aus Grafit gebildet, wobei sich wärmeerzeugende, stromleitende Grafitbahnen mäanderförmig um die zu beheizende Fläche winden und als Stromwiderstandsheizung Wärme erzeugen. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen werden die stromführenden Elemente von den benachbarten Grafitteilen mittels Isolatoren in Abstand gehalten. Bevorzugte Isolatoren sind hierbei Bornitrid.The inside the case arranged elements are preferably made of graphite. It will the melting vessel from a good heat conducting formed pressed graphite. The insulating material is preferably from a loosely packed graphite, in particular fiber materials Graphite wool or graphite mats. The heating elements are also expediently formed from graphite, with heat-generating, electrically conductive Graphite paths meander around the area to be heated wind and generate heat as current resistance heating. To avoid of short circuits become the live ones Elements from the adjacent graphite parts by means of insulators in Distance kept. Preferred insulators are boron nitride.

Das Gehäuse besteht üblicherweise aus einem chemisch resistenten, hitzebeständigen Material und ist vorzugsweise eine Stahllegierung, wobei Edelstahl besonders bevorzugt ist. Allerdings hat sich in vielen Fällen auch Baustahl als ausreichend erwiesen.The casing usually exists made of a chemically resistant, heat-resistant material and is preferably a steel alloy, with stainless steel being particularly preferred. Indeed has in many cases Constructional steel proved sufficient.

Mit einer solchen Vorrichtung ist es möglich die erfindungsgemäßen großvolumigen Einkristalle in bislang nicht gekannter optischer Qualität herzustellen. Dabei wird derart vorgegangen, dass man eine Kristallrohmasse in einem Gefäß aufschmilzt, das einen Boden, seitliche Wände, eine obere Öffnung sowie gegebenenfalls eine die obere Öffnung zumindest teilweise verschließende Abdeckung aufweist. Prinzipiell ist es auch möglich, die Kristallrohmasse bereits im geschmolzenen Zustand in das Schmelzgefäß einzuführen.With Such a device makes it possible the large-volume invention Produce single crystals in previously unknown optical quality. In this case, the procedure is such that you have a crystal mass in melted a vessel that a floor, side walls, an upper opening and optionally one the upper opening at least partially closes Cover has. In principle it is also possible to use the crystal raw material already in the molten state to introduce into the melting vessel.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen großvolumigen Einkristalle wird derart vorgegangen, dass man die Schmelze ausgehend vom Tiegelboden langsam in Richtung Schmelzoberfläche bzw. einer über der Schmelzoberfläche angeordneten Deckelheizung langsam abkühlt, wobei sich am Gefäßboden ein Kristallkeim ausbildet, der dann entlang des Temperaturgradienten bzw. entlang der Wärmeflussachse wächst. Dabei wird derart vorgegangen, dass ausschließlich ein Wärmefluss bzw. Temperaturgradient zwischen dem Gefäßboden und der Schmelzoberfläche bzw. der Abdeckung oder Deckelheizung ausgebildet wird. Dies bedeutet, dass im Schmelztiegel übereinander liegende Temperaturflächen gebildet werden die eben sind, wobei die Temperatur vom Tiegelboden bis zur Oberfläche der Schmelze bzw. Deckelheizung zunimmt, wobei innerhalb einer Temperaturfläche bzw. Temperaturebene an allen Punkten die Temperatur gleich ist, d.h. dass sie um maximal 2°C variiert. Vorzugsweise ist die Temperaturzunahme zwischen Gefäßboden und der Oberfläche der Schmelze kontinuierlich. Sofern die Flächen, in denen die Temperatur gleich ist, eine minimale Wölbung aufweisen, dann ist deren Radius ≥ 1 m. Besonders bevorzugt sind Radien > 2 m, wobei Radien > 4 m besonders bevorzugt sind.to Production of the large-volume invention Single crystals are proceeded by starting the melt from the bottom of the crucible slowly towards the enamel surface one over the enamel surface arranged lid heating slowly cools, being at the bottom of the vessel Forming crystal nucleus, which then along the temperature gradient or along the heat flow axis grows. The procedure is such that only a heat flow or temperature gradient between the bottom of the vessel and the enamel surface or the cover or lid heating is formed. This means, that in the crucible on top of each other lying temperature surfaces which are flat, with the temperature of the bottom of the crucible to the surface the melt or lid heating increases, wherein within a temperature surface or Temperature level at all points the temperature is the same, i. that they do not exceed 2 ° C varied. Preferably, the temperature increase between the vessel bottom and the surface the melt continuously. Unless the areas in which the temperature is equal, a minimal curvature have their radius ≥ 1 m. Radii> 2 m are particularly preferred, with radii> 4 m being particularly preferred.

Auf diese Weise entsteht eine Phasengrenzfläche zwischen der festen kristallinen und der flüssigen geschmolzenen Phase, die sich entlang dem Temperaturprofil, d.h. parallel zu den Ebenen gleicher Temperatur ausbildet und die senkrecht zu diesen Ebenen wächst.On This way, a phase boundary between the solid crystalline is created and the liquid molten phase, which varies along the temperature profile, i. parallel to the planes of the same temperature forms and the vertical growing to these levels.

Die für die Züchtung der erfindungsgemäßen Kristalle notwendige ebene Phasengrenzfläche wird dadurch erreicht, dass man einen seitlichen, d.h. radialen Wärmefluss vermeidet. Dies wird mittels seitlicher insbesondere um die Wände des Schmelzgefäßes angeordneter Elemente erreicht. Derartige Elemente sind vorzugsweise eine Stützheizung und/oder ein Isolationsmaterial. Besonders bevorzugt ist es entlang der Seitenwände beabstandete Heizelemente anzuordnen, die ausschließlich der Temperaturstützung dienen. Dabei ist der zwischen Schmelzgefäß und beabstandeter Heizung, die vorzugsweise als Mantelheizung ausgebildet ist, entstehende Zwischenraum mit Isolationsmaterial gefüllt, welches einerseits einen seitlichen Wärmeabfluss und damit die Ausbildung eines radialen Temperaturgradienten verhindert und welches andererseits verhindert, dass die Stützheizung lokale Überhitzungen im Schmelzgefäß erzeugt. Die Stützheizung dient im wesentlichen dazu, eventuellen durch den Isolationsmantel durchtretenden Wärmeverlusten entgegenzuwirken und unterstützt so die radiale Einebnung des Temperaturprofils.The for the breeding the crystals of the invention necessary plane phase interface is achieved by making a lateral, i. radial heat flow avoids. This is done by means of lateral especially around the walls of the Melting vessel arranged Achieved elements. Such elements are preferably a support heater and / or an insulation material. More preferably, it is spaced along the side walls heating elements to arrange the exclusively the temperature support serve. It is the between melting vessel and spaced heating, which is preferably designed as a jacket heating, resulting Interspace filled with insulation material, which on the one hand a lateral heat dissipation and thus preventing the formation of a radial temperature gradient and which, on the other hand, prevents the support heater from overheating locally Melting vessel produced. The support heating serves essentially to eventual through the insulation jacket passing heat losses counteract and support so the radial leveling of the temperature profile.

Prinzipiell ist es möglich den axialen Wärmefluss ausschließlich durch eine oberhalb des Tiegels angeordnete Deckelheizung auszubilden. Es ist jedoch bevorzugt auch den Tiegelboden mittels einer Bodenheizung aufzuheizen, so dass ein Temperaturgradient zwischen Deckel- und Bodenheizung ausgebildet wird.in principle Is it possible the axial heat flow exclusively form by a cover heating arranged above the crucible. However, it is preferably also the crucible bottom by means of a floor heating to heat up, so that a temperature gradient between lid and Floor heating is formed.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kristalle ist es bevorzugt, das Kristallwachstum mittels einem am Boden des Schmelzgefäßes vorliegenden Keimkristall zu fördern. Der Keimkristall ist vorzugsweise ein Einkristall, der in eine an dem Gefäßboden anhängenden Keimtasche eingeführt wird, und zwar vorzugsweise so, dass seine Orientierung der gewünschten späteren Orientierung des großvolumigen Einkristalls entspricht. Beim Aufschmelzen wird dann derart vorgegangen, dass durch ein Anheizen der Deckelheizung und vorzugsweise der Bodenheizung das im Gefäß vorliegende Kristallrohmaterial aufgeschmolzen wird. Gegebenenfalls wird hier zur Unterstützung auch der Mantelheizer eingesetzt. Dabei wird der Tiegel vorzugsweise auf eine Temperatur erwärmt, bei der zuerst eventuelles Kristallwasser freigesetzt wird. Danach wird die Temperatur weiter erhöht, wobei gegebenenfalls gelöste Gase oder in der Kristallrohmasse gebundene gasförmige Teile, sowie durch beim Erwärmen entstandene gasförmige Zersetzungsprodukte, freigesetzt werden.To produce the crystals according to the invention, it is preferred to promote crystal growth by means of a seed crystal present at the bottom of the melting vessel. The seed crystal is preferably a monocrystal which is introduced into a seed pocket attached to the bottom of the vessel, preferably such that its orientation corresponds to the desired later orientation of the bulky single crystal. During melting, the procedure is then such that the crystal raw material present in the vessel is melted by heating the cover heating and preferably the bottom heating. Optionally, the jacket heater is used here to assist. The crucible is preferably heated to a temperature at which any water of crystallization is released first. Thereafter, the temperature is further increased, optionally dissolved gases or gaseous parts bound in the crystal bulk mass, as well as formed by heating gaseous decomposition products, are released.

Dann wird über einen längeren Zeitraum hinweg vorzugsweise mindestens einen Tag die Schmelz homogenisiert. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Heizleistung der Heizelemente derart eingestellt wird, dass in der Schmelze eine Konvektion entsteht, wodurch diese laufend vermischt wird, so dass gelöste und unerwünschte Verunreinigungen an die Schmelzoberfläche gelangen, wo insbesondere recht flüchtige Substanzen abdampfen können. Dabei ebenfalls mit abgedampftes Kristallmaterial wird in einem vorzugsweise gekühlten Kondensator abgeschieden. Vorzugsweise wird die Homogenisierung der Schmelze mindestens zwei Tage, insbesondere jedoch mindestens fünf Tage durchgeführt, wobei mindestens eine Woche ganz besonders bevorzugt ist.Then will over a longer one Period preferably at least one day homogenized the enamel. This is achieved in particular by the heating power of the Heating elements is set such that in the melt a Convection is created, whereby this is constantly mixed, so that dissolved and unwanted Impurities reach the enamel surface, where in particular quite volatile Can evaporate substances. Here also with evaporated crystal material is in a preferably cooled Capacitor deposited. Preferably, the homogenization the melt at least two days, but in particular at least carried out five days, where at least one week is very particularly preferred.

Während des Aufschmelzens und während der Homogenisierung wird der in der Keimtasche vorliegende Kristallkeim vorzugsweise gekühlt, um ein vorzeitiges Auf- oder Anschmelzen zu vermeiden. Dies geschieht üblicherweise mittels einer Wasserkühlung. Die Kühlung wird zweckmäßigerweise mittels eines mit Wasser gekühlten Grafitstabes durchgeführt.During the Melting and during the Homogenization is the present in the germ pocket crystal nucleus preferably cooled, to prevent premature melting or melting. This usually happens by means of a water cooling. The cooling is expediently by means of a water-cooled Grafitstabes performed.

Nach Ende des Aufschmelzens und der Homogenisierung der Schmelze wird der Kristallkeim vorsichtig angeschmolzen. Dies geschieht normalerweise dadurch, dass die Kühlleistung verringert wird und/oder eine Keimtaschenheizung angestellt wird. Dabei wird der Keimkristall vorsichtig von oben nach unten angeschmolzen, so dass ein gleichförmiger Übergang zwischen Kristallkeim und der Schmelze entsteht. Danach wird der axiale Temperaturgradient dadurch ausgebildet, dass entweder die Heizleistung der Deckelheizung und/oder der Bodenheizung langsam erniedrigt wird. Vorzugsweise wird jedoch so vorgegangen, dass die Deckenheizung auf eine Temperatur eingestellt wird, die gleich ist oder oberhalb, vorzugsweise geringfügig oberhalb der Kristallisationstemperatur des herzustellenden Kristalls liegt. Zweckmäßige Deckelheiztemperaturen liegen 200–300°C oberhalb der Kristallisationstemperatur. Die Temperatur der Bodenheizung beträgt zweckmäßigerweise mindestens 650°C vorzugsweise mindestens 900°C, ist jedoch bei der Kristallzucht tiefer als die Schmelztemperatur. Danach wird die Heizleistung der Bodenheizung langsam abgesenkt. Durch das Herabfahren der Bodenheizung auf eine Temperatur unterhalb der Kristallisationstemperatur kühlt die Schmelze entlang des axialen Temperaturgradienten langsam ab, wobei sich die Phasengrenzfläche, welche sich an der Ebene der Kristallisationstemperatur ausbildet, im Schmelzgefäß langsam von oben nach unten verschiebt, wodurch der Kristall wächst. Prinzipiell ist es auch möglich, die Temperatur der Deckelheizung herunterzufahren. Dabei wird die Temperatur mit einer Geschwindigkeit heruntergefahren, bei der das Kristallwachstum 0,01 bis 5 mm/Stunde, vorzugsweise 0,1 bis 1 mm/Stunde und insbesondere 0,2 bis 0,5 mm/Stunde beträgt. Diese Werte werden üblicherweise mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 0,001 bis 5°C pro Stunde erreicht.To End of melting and homogenization of the melt is the crystal germ carefully melted. This usually happens in that the cooling power is reduced and / or a germ pocket heating is turned on. there the seed crystal is carefully melted from top to bottom, so that a uniform transition between crystal nucleus and the melt arises. After that, the axial temperature gradient formed by either the Heating power of the lid heating and / or the floor heating slowly is lowered. Preferably, however, the procedure is that the Ceiling heating is set to a temperature that is the same or above, preferably slightly above the crystallization temperature of the crystal to be produced. Appropriate lid heating temperatures are 200-300 ° C above the crystallization temperature. The temperature of the floor heating is expediently at least 650 ° C preferably at least 900 ° C, However, it is lower than the melting temperature in crystal growing. Thereafter, the heating power of the floor heating is lowered slowly. By lowering the floor heating to a temperature below the crystallization temperature cools the Melt slowly along the axial temperature gradient, with the phase interface, which forms at the level of crystallization temperature, in the melting vessel slowly from top to bottom, causing the crystal to grow. in principle it is also possible Shut down the temperature of the lid heater. Here is the Shut down temperature at a speed at which the Crystal growth 0.01 to 5 mm / hour, preferably 0.1 to 1 mm / hour and in particular 0.2 to 0.5 mm / hour. These values usually become at a cooling rate from 0.001 to 5 ° C reached per hour.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Temperatur in der bereits auskristallisierten Phase, d.h. im gewachsenen Kristall, während des Züchtungsprozesses nicht diejenige Temperaturschwelle unterschreitet, bei der noch eine plastische Form erfolgt. Hinter der Phasengrenze soll daher ein möglichst flacher axialer Temperaturgradient erfolgen.It has proven to be beneficial when the temperature in the already crystallized phase, i. in the grown crystal, during the growth process not the temperature threshold falls below, in the still a plastic form takes place. Therefore, behind the phase boundary should one possible flat axial temperature gradient done.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, im unteren konusförmigen Bodenteil des Schmelztiegels, d.h. in dem Teil, der zwischen der Keimtasche und der Tiegelwand den Boden bildet, zu Beginn der Kristallzucht eine nicht ebene nach oben zum Deckel gewölbte Phasengrenzfläche auszubilden, die einen Radius < 1 m, vorzugsweise < 0,8 m, insbesondere < 0,5 m aufweist.It has proved to be useful in the lower cone-shaped Bottom part of the crucible, i. in the part that is between the Germ pocket and the crucible wall forms the bottom, at the beginning of the crystal growth form a non-planar up to the lid curved phase interface, the one radius <1 m, preferably <0.8 m, in particular <0.5 m has.

Nach Fertigstellung des erfindungsgemäßen Einkristalls wird der so erhaltene Kristall vorzugsweise getempert. Dabei werden eventuell vorliegende Kristallinhomogenitäten bei erhöhter Temperatur ausgeglichen, d.h. Kristalldefekte werden bei dieser Temperatur ausgeheilt. Nach der Kristallzucht und dem Tempern wird der gesamte großvolumige Einkristall langsam auf Raumtemperatur abgekühlt. Eine derartige Abkühlung wird üblicherweise über mehrere Tage bis mehrere Wochen hinweg durchgeführt und zwar je nach Phase und Stufe vorzugsweise mit einer Abkühlgeschwindigkeit von ca. 0,001°C/Stunde bis 15°C/Stunde, insbesondere bis 10°C/Stunde und zweckmäßigerweise bis 1°C/Stunde, wobei 0,01°C/Stunde bis 8°C/Stunde, insbesondere 3°C/Stunde bevorzugt ist. Auch beim Abkühlen wird vorzugsweise ein im wesentlichen axialer Temperaturgradient beibehalten. Allerdings kann hierbei auf die seitliche Stützheizung ggf. verzichtet werden. Durch ein derart langsames Abkühlen werden großvolumige Kristalle erhalten, die eine außergewöhnlich hohe Stressfreiheit aufweisen. Die Abkühlungsrate wird vorzugsweise mittels mehrerer in der erfindungsgemässen Vorrichtung angeordneter Temperaturfühler kontrolliert. Auf diese Weise läßt sich der Temperaturverlauf der Abkühlung auch regeln, was ebenso wie bei der Kristallzüchtung zweckmäßigerweise mittels einem Computer durchgeführt wird.To Completion of the single crystal according to the invention the crystal thus obtained is preferably tempered. It will be possibly present crystalline inhomogeneities at elevated temperature, i.e. Crystal defects are annealed at this temperature. To the crystal growing and tempering becomes the entire large volume Single crystal slowly cooled to room temperature. Such cooling is usually over several Days to several weeks, depending on the phase and step preferably at a cooling rate of about 0.001 ° C / hour to 15 ° C / hour, in particular up to 10 ° C / hour and expediently up to 1 ° C / hour, being 0.01 ° C / hour to 8 ° C / hour, especially 3 ° C / hour is preferred. Also when cooling is preferably a substantially axial temperature gradient maintained. However, this can on the side support heating possibly be waived. By such a slow cooling high volume Get crystals that are exceptionally high Freedom from stress. The cooling rate is preferably by means of several arranged in the inventive device temperature sensor controlled. In this way can be the temperature profile of the cooling also regulate, what as well as in the crystal growth expediently performed by a computer becomes.

Der zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kristalle eingesetzte Kristallrohstoff umfasst insbesondere Rohstoffe, welche neben dem Kristallmaterial auch Scavenger enthalten, die in einer Homogenisierungsphase mit eventuell vorliegenden Verunreinigungen zu leicht flüchtigen Substanzen reagieren.The for producing the inventive Crystals used crystal includes in particular raw materials, which also contain scavengers in addition to the crystal material, which react in a Homogenisierungsphase with any impurities present to volatile substances.

Die erfindungsgemäßen Kristalle werden vorzugsweise in einem Vakuum zwischen 10–3 bis 10–6 mbar (entsprechend 10–1 bis 10–4 Pa) und vorzugsweise zwischen 10–9 und 10–5 mbar (10–2 bis 10–3 Pa) gezüchtet. Besonders bevorzugt ist es, die Kristalle in einer Schutzgasatmosphäre, insbesondere einer nicht oxidierenden Atmosphäre zu züchten. Dabei wird die gesamte Apparatur vor oder auch während des Aufheizens mit einem Inertgas oder einer Inertgasmischung gespült.The crystals of the invention are preferably grown in a vacuum between 10 -3 to 10 -6 mbar (corresponding to 10 -1 to 10 -4 Pa) and preferably between 10 -9 and 10 -5 mbar (10 -2 to 10 -3 Pa) , It is particularly preferred to grow the crystals in a protective gas atmosphere, in particular a non-oxidizing atmosphere. The entire apparatus is flushed before or during the heating with an inert gas or an inert gas mixture.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Kristalle wird die Vorrichtung vorzugsweise erschütterungsfrei gelagert. Das Schmelzgefäß und die Heizelemente sind während des Betriebes fest und unveränderbar zueinander gelagert.at The preparation of the crystals according to the invention becomes the device preferably vibration-free stored. The melting vessel and the Heating elements are during firm and unchangeable stored to each other.

Die erfindungsgemäßen großvolumigen Kristalle eignen sich besonders zur Herstellung von optischen Komponenten für die DUV-Lithographie sowie zur Herstellung von mit Photolack beschichteten Wafern und somit zur Herstellung von elektronischen Geräten. Die Erfindung betrifft daher auch Linsen, Prismen, Lichtleitstäbe, optische Fenster sowie optische Geräte für die DUV-Lithographie insbesondere Stepper und Excimerlaser, die solche Kristalle enthalten.The large volume crystals of the invention are particularly suitable for the production of optical components for the DUV lithography and for the production of photoresist coated Wafers and thus for the production of electronic devices. The The invention therefore also relates to lenses, prisms, light guide rods, optical Windows and optical devices for the DUV lithography in particular stepper and excimer laser, those Contain crystals.

Die Erfindung soll anhand der folgenden Figuren und des Beispiels näher erläutert werden. Es zeigenThe Invention will be explained in more detail with reference to the following figures and the example. Show it

1 eine Vorrichtung zur Züchtung der erfindungsgemäßen großvolumigen Kristalle, 1 a device for cultivating the large-volume crystals according to the invention,

2 einen mit dieser Vorrichtung hergestellten erfindungsgemäßen Einkristall mit einem Durchmesser von 385 mm sowie einer Höhe von ca. 160 mm. 2 a single crystal according to the invention with a diameter of 385 mm and a height of about 160 mm produced with this device.

3 zeigt Einkristallscheiben, welche aus dem Einkristall von 2 hergestellt wurden. 3 shows single crystal slices, which consist of the single crystal of 2 were manufactured.

Wie in 1 dargestellt, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung ein insbesonders doppelwandig ausgebildetes Gehäuse 10, in dem der aus gepresstem Grafit gebildete Schmelztiegel 20 angeordnet ist. Der Schmelztiegel 20 weist einen Innenraum 30 (Schmelz- bzw. Kristallisationsraum) auf, der durch Wände 22, einem in Form eines stumpfen Kegels aus-gebildeten konusförmig verlaufenden Boden 24 sowie einer oberen Tiegelöffnung 26 gebildet wird, welche mittels einer Abdeckung 28 teilweise verschlossen ist. Im oberen Teil des Schmelztiegels ist ein trichterförmiger Pufferraum 40 angeordnet, der aus dem gleichen Material wie der Schmelztiegel 20 gebildet und mit die sem vorzugsweise einstückig verbunden ist. Der Pufferraum 40 selbst weist ebenfalls Seitenwände 42, eine Abdeckung 48 sowie einen Boden 44 auf, der mit den Seitenwänden 22 des Schmelzgefäßes 20 verbunden ist. Oberhalb des Pufferraums 40 ist eine Deckelheizung 50, 50' angeordnet, welche einer Bodenheizung 52 gegenüberliegt. Die Bodenheizung 52 ist seitlich der Keimtasche 32 angeordnet und von dieser in Abstand gehalten, damit der darin vorliegende Keimkristall nicht vorzeitig aufschmilzt. Am Boden enthält die Keimtasche einen wassergekühlten Grafitstab 70. Seitlich der Keimtasche und des wassergekühlten Grafitstabes 70 sind seitliche Heizelemente 56 zum gezielten Anschmelzen des Keimkristalls angeordnet. Darüber hinaus ist seitlich vom Schmelztiegel 20 ein als Schiebelement ausgebildetes Temperaturmesselement 60 angeordnet, mit dem der genaue axiale Temperaturverlauf bestimmt werden kann.As in 1 illustrated, the inventive device comprises a particularly double-walled housing 10 in which the crucible formed of pressed graphite 20 is arranged. The melting pot 20 has an interior 30 (Melting or crystallization space), passing through walls 22 , a cone-shaped bottom formed in the shape of a blunt cone 24 and an upper crucible opening 26 is formed, which by means of a cover 28 partially closed. In the upper part of the crucible is a funnel-shaped buffer space 40 arranged, made of the same material as the crucible 20 formed and preferably connected in one piece with the sem. The buffer space 40 itself also has side walls 42 , a cover 48 as well as a floor 44 on that with the side walls 22 of the melting vessel 20 connected is. Above the buffer space 40 is a lid heater 50 . 50 ' arranged, which a floor heating 52 opposite. The underfloor heating 52 is the side of the germ pocket 32 arranged and kept apart from this, so that the seed crystal present therein does not melt prematurely. At the bottom, the germ pocket contains a water-cooled graphite rod 70 , On the side of the germ pocket and the water-cooled graphite rod 70 are lateral heating elements 56 arranged for targeted melting of the seed crystal. In addition, side of the crucible 20 a trained as a sliding element temperature measuring element 60 arranged, with which the exact axial temperature profile can be determined.

Die Seitenwände 22 des Gefäßes 20 sind vollständig von einem Isolationsmantel 82 umgeben. Der Isolationsmantel 82 beabstandet eine seitliche mantelförmige Stützheizung 54. Die Heizelemente 50, 50', 52, 54 und 56 sowie der Schmelztiegel 20 mit Keimtasche 32 und der darüber liegende Pufferteil 40 werden von einem aus Grafit gebildeten Isolationsmaterial 80 umgeben, welches einen seitlichen Wärmefluss verhindert und ausschließlich einen zwischen Deckelheizung und Schmelztiegelboden 24 bzw. Bodenheizung 52 ausgebildeten axialen Temperaturgradienten erlaubt.The side walls 22 of the vessel 20 are completely covered by an insulation jacket 82 surround. The insulation jacket 82 spaced a lateral jacket-shaped support heater 54 , The heating elements 50 . 50 ' . 52 . 54 and 56 and the crucible 20 with germ pocket 32 and the overlying buffer part 40 are made of an insulating material made of graphite 80 surrounded, which prevents lateral heat flow and only one between lid heating and crucible bottom 24 or floor heating 52 trained axial temperature gradient allowed.

Die Vorrichtung weist eine nicht dargestellte Öffnung zum Spülen mit einem Inertgas bzw. zum Anlegen eines Vakuums auf. Zur Bestimmung der Größe des wachsenden Kristalls bzw. der Lage der Phasengrenzfläche ist ein von außen durch das Gehäuse durchreichender Phasentaster 90 vorhanden, welcher einen in einem äußeren Rohr 92 liegenden verschiebbaren Stab 94 enthält, der langsam nach unten absenkbar ist und mit dem die feste Phasengrenzfläche ertastet werden kann. Prinzipiell kann das Rohr 92 auch mit dem Stab 94 verbunden sein. Zum Abscheiden von beim Homogenisieren entfernten Verunreinigungen ist oberhalb des Schmelztiegels ein Kondensator 95 angeordnet.The device has an opening, not shown, for purging with an inert gas or for applying a vacuum. To determine the size of the growing crystal or the position of the phase interface is a passing through the outside through the housing phase sensor 90 present, which one in an outer tube 92 lying displaceable rod 94 contains, which is slowly lowered down and with which the solid phase interface can be felt. In principle, the pipe 92 also with the staff 94 be connected. For separating impurities removed during homogenization, a capacitor is above the crucible 95 arranged.

Beispiel 1example 1

Es wird zur Herstellung eines Calciumfluorid-Einkristalls der Innenraum 30 des Schmelzgefäßes 20 mit einer Calciumfluoridmischung gefüllt, welche zusätzliches Scavengermaterialien mit einer hohen Affinität zu Sauerstoff, wie PbF2, SnF2 oder CdF2 aufweisen eingefüllt, die Vorrichtung mittels einem in 1 nicht dargestellten Deckel verschlossen und zur Entfernung von unerwünschtem Luftsauerstoff mit Stickstoff als Inertgas gespült. Danach wird ein Vakuum von 10–9 mbar (10–2 Pa) angelegt und unter Kühlung der Keimtasche die Deckelheizung 50, 50', die Bodenheizung 52 sowie gegebenenfalls die Mantelheizung 54 angestellt und langsam über mehrere Stunden auf 1450°C aufgeheizt. Danach wird fünf Tage lang bei dieser Temperatur homogenisiert, wobei in der Schmelze eine Konvektion aufrecht erhalten wird. Nach der Homogenisierung wird die Bodenheizung auf eine Temperatur von 1200°C herab gefahren und mittels der Keimtaschenheizung 26 der Keimkristall vorsichtig angeschmolzen. Nach Abstellen der Keimtaschenheizung wird die Deckelheizung 50, 50' konstant gehalten und die Bodenheizung langsam über mehrere Tage hinweg auf eine Temperatur unterhalb des Kristallisationspunktes herunter gefahren, wobei ausgehend vom Kristallkeim ein Einkristall in Richtung der Oberfläche der Schmelze wächst. Der dabei entstehende Einkristall weist die gleiche Orientierung auf wie der Kristallkeim. Nachdem die gesamte Schmelze unter Ausbildung eines Einkristalls erstarrt ist, wird der so erhaltene Einkristall getempert und über einen Zeitraum von drei Wochen auf Raumtemperatur abgekühlt. Auf diese Weise wird ein Einkristall erhalten, der einen Durchmesser von 385 cm und eine Höhe von 161 mm (ohne Keimtasche) aufweist. Der Einkristall weist über das gesamte Kristallvolumen hinweg eine Schwankung der Brechzahl Δn von < 1 × 10–6 auf. Seine Spannungsdoppelbrechung SDB ist < 1 nm/cm. Darüber hinaus zeigt der so erhaltene Kristall eine außerordentlich hohe Strahlungsbeständigkeit.It is to produce a calcium fluoride single crystal of the interior 30 of the melting vessel 20 filled with a calcium fluoride mixture containing additional scavenger materials with a high affinity for oxygen, such as PbF 2 , SnF 2 or CdF 2 , the device is filled by means of an in 1 not shown lid closed and to remove unwanted atmospheric oxygen purged with nitrogen as an inert gas. Thereafter, a vacuum of 10 -9 mbar (10 -2 Pa) is applied and while cooling the germ pocket, the lid heating 50 . 50 ' , the floor heating 52 and optionally the jacket heating 54 and slowly heated to 1450 ° C over several hours. The mixture is then homogenized for five days at this temperature, whereby convection is maintained in the melt. After homogenization, the floor heating is lowered to a temperature of 1200 ° C and by means of germ pocket heating 26 the seed crystal carefully melted. After switching off the germ pocket heating, the lid heating is activated 50 . 50 ' held constant and the floor heating slowly down several days down to a temperature below the crystallization point, starting from the crystal nucleus grows a single crystal in the direction of the surface of the melt. The resulting single crystal has the same orientation as the crystal nucleus. After the entire melt is solidified to form a single crystal, the thus obtained single crystal is annealed and cooled to room temperature over a period of three weeks. In this way, a single crystal having a diameter of 385 cm and a height of 161 mm (without a seed pocket) is obtained. The single crystal has a fluctuation of the refractive index Δn of <1 × 10 -6 over the entire crystal volume. Its stress birefringence SDB is <1 nm / cm. In addition, the crystal thus obtained exhibits an extremely high radiation resistance.

Claims (5)

Großvolumiger Einkristall mit einer über sein gesamtes Volumen hinweg aufweisenden einheitlichen Orientierung dadurch gekennzeichnet, dass die Brechzahl im gesamten Kristallvolumen einen maximalen Unterschied von ≤ 1 × 10–6 aufweist und die Spannungsdoppelbrechung SDB < 1 nm/cm beträgt.Large volume single crystal having its entire volume having uniform orientation characterized in that the refractive index in the whole crystal volume has a maximum difference of ≤ 1 x 10 -6 and the birefringence SDB is <1 nm / cm. Kristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ein MgF2, BaF2, SrF2, LiF, NaF oder CaF2 Kristall ist.Crystal according to claim 1, characterized in that it is a MgF 2 , BaF 2 , SrF 2 , LiF, NaF or CaF 2 crystal. Kristall nach Anspruch 1 oder 2, erhältlich durch ein Kristallwachstum bei einer ebenen Phasengrenzfläche fest/flüssig, die einen Krümmungsradius von ≥ 1 m aufweist.Crystal according to claim 1 or 2, obtainable by a crystal growth at a flat phase interface solid / liquid, the has a radius of curvature of ≥ 1 m. Kristalle nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einheitlicher Orientierung erhältlich aus einer Schmelze aus Kristallrohmaterial in einer Vorrichtung, die ein verschließbares Gehäuse (10) mit darin angeordneten Seitenwänden (22), einem Boden (24), eine dem Boden (24) gegenüberliegende obere Öffnung (26) sowie gegebenenfalls eine Abdeckung (28) aufweisendes Schmelzgefäß (20), sowie mindestens ein Heizelement (50, 50') umfasst, wobei das im Schmelzgefäß (20) vorliegende Kristallrohmaterial mittels Heizelementen (50, 50'), so lange auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes erwärmt wird bis sich eine eine Oberfläche aufweisende Schmelze bildet, und/oder wobei bereits geschmolzenes Kristallrohmaterial in das Schmelzgefäß eingetragen wird, und danach durch Absenken der Temperatur auf mindestens den Kristallisationspunkt am Boden des Schmelzgefäßes ein Einkristall gebildet wird, der mit der Schmelze eine Phasengrenzfläche fest/flüssig ausbildet, an welcher der Einkristall in einer Richtung senkrecht zur Phasengrenzfläche zur Schmelzoberfläche hin wächst, wobei die Phasengrenzfläche eben ist und einen Krümmungsradius von mindestens einem Meter aufweist, wobei zwischen dem Boden (24) des Schmelzgefäßes (20) und dessen oberer Öffnung (26) ein senkrecht verlaufender axialer Temperaturgradient angelegt ist und ein durch die Seitenwände (22) verlaufender Wärmezu- und/oder Wärmeabfluss vermieden wird.Crystals according to one of the preceding claims with uniform orientation obtainable from a melt of crystal raw material in a device comprising a closable housing ( 10 ) with side walls ( 22 ), a floor ( 24 ), one to the ground ( 24 ) opposite upper opening ( 26 ) and optionally a cover ( 28 ) having melting vessel ( 20 ), and at least one heating element ( 50 . 50 ' ), wherein in the melting vessel ( 20 ) present crystal raw material by means of heating elements ( 50 . 50 ' ), as long as it is heated to a temperature above the melting point until a melt having a surface, and / or already molten crystal raw material is introduced into the melting vessel, and then by lowering the temperature to at least the crystallization point at the bottom of the melting vessel a single crystal is formed with the melt, a solid / liquid phase interface at which the single crystal grows in a direction perpendicular to the phase interface to the melt surface, the phase interface is flat and has a radius of curvature of at least one meter, with between the bottom ( 24 ) of the melting vessel ( 20 ) and its upper opening ( 26 ) a vertically extending axial temperature gradient is applied and a through the side walls ( 22 ) running Wärmezu- and / or heat dissipation is avoided. Kristall nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch erhältlich, dass mittels eines Keimkristalles die Wachstumsrichtung vorgegeben wird.Crystal according to one of the preceding claims, characterized available, that predetermined by a seed crystal, the growth direction becomes.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115720599A (en) * 2020-04-27 2023-02-28 艾伯纳工业炉公司 Equipment for heating multiple crucibles

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