DE2028008A1

DE2028008A1 - Laser heated zone smelter refiner - with simultaneous doping - diffusion from the rod surface

Info

Publication number: DE2028008A1
Application number: DE19702028008
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Phys Dr Guers
Original assignee: Battelle Entwicklungs GmbH
Current assignee: Battelle Entwicklungs GmbH
Priority date: 1968-05-18
Filing date: 1970-06-08
Publication date: 1971-12-16

Abstract

A laser heated zone smelter/refiner for the manufacture of large single crystals at very high smelting temps. (>2000 degrees C) as in the parent parent can be useful for the production of doped materials by applying doping agents to the surface of the blank from where they are drawn into and diffused uniformly through the crystal structure. By relative axial and radial movement of the seed crystal and blank carriages, various shapes of single crystals can be produced e.g., tubes, discs and shuttles.

Description

"Verfahren zur Herstellung von Einkristallen" Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Einkristallen aus Materialien vorzugsweise mit hohem Schmelzpunkt, insbesondere höher als 20000C, nach der Methode des tiebelfreien Zonenschinelzens nach Patent (Patentanmeldung P 17 69 405.2-43). "Method of Making Single Crystals" The invention relates to a method for producing single crystals from materials preferably using high melting point, especially higher than 20000C, according to the tiebel-free method Zonenschinelzens according to patent (patent application P 17 69 405.2-43).

Mit dem tiegeifreien Zonenschmelzen werden bereits verschiedene Einkristalle hergestellt9 z.B. aus Germanium und Silicium. Die Anwendbarkeit dieses Verfahrens ist jedoch aus verschiedenen Gründen begrenzt Oftmals ist es nicht möglich, das meist stabförmige Material auf eine solche Temperatur aufzuheizen daß eine Schmelzzone entsteht Dies hat im wesentlichen zwei Ursachen, nämlich einmal, daß einige Materialien die üblicherweise zur Aufheizung verwendete Hochfrequenzenergie nicht genügend absorbieren oder daß der Schmelzpunkt der Materialien so hoch, liegt, daß er auch bei voller Absorption der Hochfrequenziellergie nicht erreicht wird Auch ist das Aufschmelzen der Kristalle durch indirektes durchindirektesHeizen mittels Wärmestrahlung über eine z.B. das stabförmige Material ungebende Widerstandsheizvorrichtung bei hohen Schmelztempcraturen nicht mehr möglich, da auch auf diese Weise die erforderliche Temperatur nicht mehr erreicht wird.With the deep-frozen zone melting, various single crystals are already formed manufactured9 e.g. from germanium and silicon. The applicability of this procedure however, it is limited for various reasons mostly rod-shaped material to be heated to such a temperature that a melting zone This has essentially two causes, namely that some materials do not sufficiently absorb the high frequency energy normally used for heating or that the melting point of the materials is so high that it is also at full Absorption of the high frequency allergy is not achieved, too, is the melting of the crystals through indirect through indirect heating by means of thermal radiation e.g. a resistance heating device giving off the rod-shaped material at high Melting temperatures are no longer possible, since the required temperature is also achieved in this way Temperature is no longer reached.

Die Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, ein Verfahren zu schaffen, mit dem es möglich ist, Materialien umzuschmelzen und Einkristalle auch aus Materialien herzustellen, die einen vergleichsweise hohen Schmelzpunkt haben und/oder liochfrequenzenergie nur in nicht ausreichendem Maße absorbieren.The object of the invention is to be seen in creating a method with which it is possible to use materials remelt and single crystals also manufacture from materials that have a comparatively high melting point and / or do not absorb high frequency energy to a sufficient extent.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Materialien unter Zuhil£enahme eines Laserstrahls zonenförmig aufgeschmolzen werden.This object is achieved according to the invention in that the materials melted in zones with the aid of a laser beam.

Mit einem Laserstrahl ist es möglich, jedes bekannte Material weit über seinen Sclmelzpunkt zu erhitzen oder gar zu verdampfen. Dies beruht auf der erzielbaren hohen Leistungsdichte. Der Laserstrahl ist nach Art seiner Erzeugung räumlich kohärent. Er läßt sich daher sehr stark büncleln, und zwar bis an eine Grenze, die nur durch die Beugung der elektromagnetischen Welle gegeben ist. Auch gibt es keine grundsätzliche (physikalische) Begrenzung in der Höhe der erzeugten Leistung. Bis jetzt wurden Laserleistungen bis zu etwa 18 Kilowatt erreicht. Auf diese Weise ist es somit möglich, bisher beim Zonenschmelzen nicht erreichbare Temperaturen zu erzeugen.With a laser beam it is possible to see any known material far to heat above its melting point or even to evaporate. This is based on the achievable high power density. The laser beam is by the way it is generated spatially coherent. It can therefore be bundled very strongly, up to one Limit that is given only by the diffraction of the electromagnetic wave. Even there is no fundamental (physical) limit in the amount of the generated Power. Up to now, laser powers of up to around 18 kilowatts have been achieved. on In this way, it is possible to achieve temperatures that were previously unattainable during zone melting to create.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können Einkristalle z.B. aus Aluminiumoxid und Magnesiumoxid (Saphir, Rubin und Spinell), Yttrium-Aluminium-Granat, Bor-Carbid, Uranoxid, Uran-Carbid, Berylliumoxid und Titanoxid (Rutil) gemacht werden. Alle diese Kristalle haben einen Schmelzpunkt über 2000°C. Selbstverständlich kann man das Verfahren mit Vorteil aber auch auf alle anderen Kristalle anwenden, z B. auch auf solche mit niedrigem Schmelzpunkt, wie die Alkali- und Erdalkalihalogenide, Kalkspat, Fluß. spat, Quarz, sowie zahlreiche Halbleiter, ferner auf verschiedene elektrooptische Kristalle, z.B.According to the method according to the invention, single crystals can e.g. Aluminum oxide and magnesium oxide (sapphire, ruby and spinel), yttrium aluminum garnet, Boron carbide, uranium oxide, uranium carbide, beryllium oxide and titanium oxide (rutile) can be made. All of these crystals have a melting point above 2000 ° C. Of course you can but it is also advantageous to apply the procedure to all other crystals, e.g. also to those with a low melting point, such as the alkali and alkaline earth halides, Calcite, river. spat, quartz, as well as numerous semiconductors, furthermore on different electro-optic crystals, e.g.

Kaliumdihydrogenphosphat und verwandte Substanzen, auf Titanate, Wolframate, Niobate, insbesondere Lithium-Niobat, Barium-Natrium-Niobat und Barium-Strontium-Niobat.Potassium dihydrogen phosphate and related substances, on titanates, tungstates, Niobates, especially lithium niobate, barium sodium niobate and barium strontium niobate.

Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch, daß sich die Kristalle ohne Kontakt der Schmelze mit einem Tiegelmaterial oder einer Heizflamme- herstellen lassen, und somit Verunreinigungen durch äußere Einflüsse vermieden werden können. Das Ziehen der Kristalle kann wegen der berührungslosen Energiezufuhr sowohl unter Vakuum oder unter Schutzgas erfolgen.The inventive method is advantageous in that the Crystals without contact of the melt with a crucible material or a heating flame can be produced, and thus contamination by external influences can be avoided can. The pulling of the crystals can be done both because of the contactless energy supply take place under vacuum or under protective gas.

Auch ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, Substanzen zu verarbeiten, deren eine Komponente bei dem Schmelzpunkt der geaçünschten Verbindung einen hohen Dampfdruck hat, z.B. Silicium-Carbid, Bornitrid oder Aluminiumnitrid. In solchen Fällen ist es erforderlich, das erfindungsgemäße Aufschmelzen in einem Überdruckgefäß derart vorzunehmen, daß die flüchtige Komponente einen aus dem Phasendiagramm ersichtlichen Dampfdruck besitzt.It is also possible with the method according to the invention to add substances to process one component of which at the melting point of the desired compound has a high vapor pressure, e.g. silicon carbide, boron nitride or aluminum nitride. In such cases, it is necessary to melt the invention in one Make overpressure vessel in such a way that the volatile component is one of the phase diagram has apparent vapor pressure.

Dieser kann gegebenenfalls durch Bodenkörper und Temperaturkontrolle geregelt werden.This can, if necessary, by means of soil bodies and temperature control be managed.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn gemäß der Erfindung der Laserstrahl mit einem C02-Laser erzeugt wird.It is particularly useful if, according to the invention, the laser beam is generated with a CO2 laser.

Der C02-Laser.zeigt einen besonders hohen Wirkungsgrad, der um einen Faktor 10 bis 1000 größer ist, als bei den anderen für technische Anwendungen in Betracht kommenden Lasern; sein Gesamtwirkungsgrad liegt bei etwa 15 bis 20 %.The C02 laser shows a particularly high degree of efficiency, which is around a A factor of 10 to 1000 is greater than the other for technical applications in Lasers to be considered; its overall efficiency is around 15 to 20%.

Der Laserstrahl läßt sich praktisch verlustfrei auf die Schmelzzone bündeln. Daher ist der Gesamtwirkungsgrad der Umwandlung von elektrischer in Wärmeenergie bei dem errindungsgemäßen Verfahren größer als bei den bekannten.The laser beam can be applied to the melting zone with practically no loss bundle up. Hence the overall efficiency the conversion of electrical in thermal energy in the method according to the invention is greater than in the known.

Aus diesem Grund - und weil man ohne Tiegel auskommt -ist das erfindungsgemäße Verfahren auch vergleichsweise preiswert. Schließlich erlaubt die gerichtete Einstrahlung des Laserlichts eine vergleichsweise einfache Konstruktion der Ziehvorrichtung. Das Laserlicht kann durch eine sehr kleine Ausnehmung oder Öffnung einer Verkleidung oder Verstrebung der Ziehvorrichtung auf das zu ziehende Material eingestrahlt werden.For this reason - and because you can get by without a crucible - is the one according to the invention Process also comparatively inexpensive. Finally, the directed irradiation allows of the laser light a comparatively simple construction of the pulling device. The laser light can pass through a very small recess or opening in a cladding or strut of the pulling device can be irradiated onto the material to be pulled.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung aeinLe bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der schematischen Zeichnung, in der eine Ziehvorrichtung zur Herstellung von Einkristallen unter Verwendung eines Laserstrahls als Energiequelle dargestellt ist. Es zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht dieser Anordnung; Fig. 2 eine Vorderansicht des Gegenstandes der Fig. i; Fig. 3 einen Schnitt III~III des Gegenstandes der Fig. 2; Fig. 4 die Herstellung eines scheiben- oder plattenförmigen Einkristalls und Fig. 5 eine Seitenansicht des Gegenstandes der Fig.. 4.Further details, features and advantages of the invention result A preferred exemplary embodiment as well as from the following description based on the schematic drawing, in which a pulling device for production of single crystals using a laser beam as an energy source is. 1 shows a side view of this arrangement; Fig. 2 is a front view the subject of Fig. i; Fig. 3 shows a section III ~ III of the object of Fig. 2; 4 shows the production of a disk-shaped or plate-shaped single crystal and FIG. 5 is a side view of the object of FIG. 4.

Gemäß Fig. 1 ist ein C02-Laser l mit strömendem Gas vorgesehen. Das Gas tritt durch ernten Stutzen 2 in ein Laserrohr 4 ein und durch einen Stutzen 3 aus diesem wieder aus.According to FIG. 1, a CO 2 laser 1 with flowing gas is provided. That Gas enters a laser tube 4 through harvesting nozzle 2 and through a nozzle 3 out of this again.

Der Fülldruck des Laserrohres 4 wird dabei durch die Sauggeschwindigkeit einer Pumpe und Dosierventile, die nicht dargestellt sind, geregelt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß auch C02-Laser mit stehendem Gas verwendet werden können. In diesem Fall sind die Stutzen 2, 3 verschlossen. Der C02-Laser 1 kann mit Gleich- oder Wechselstrom betrieben werden. Die Spannung wird an Elektroden 5 und 6 angelegt.The filling pressure of the laser tube 4 is determined by the suction speed a pump and metering valves, which are not shown, regulated. However, it is pointed out that CO 2 lasers can also be used with stationary gas. In this case the nozzles 2, 3 are closed. The C02 laser 1 can be or alternating current. The voltage is applied to electrodes 5 and 6.

Das Laserrohr 4 ist beiderseits mit Laserspiegeln 15 und 16 versehen. Der Laserspiegel 15 ist so ausgebildet, daß er den Laserstrahl 7 in Richtung einer Linse 8 hindurchtreten läßt. Dies kann dadurch erzielt werden, daß entweder ein voll reflektierender Spiegel im Bereich seiner Mitte mit einem Loch versehen ist oder daß man einen teildurchlässigen Spiegel- verwendet.The laser tube 4 is provided with laser mirrors 15 and 16 on both sides. The laser mirror 15 is designed so that it the laser beam 7 in the direction of a Lens 8 can pass through. This can be achieved by using either a fully reflective mirror is provided with a hole in the area of its center or that a partially transparent mirror is used.

Anstelle eines Laserrohres mit beiderseits justierbar angeordneten Spiegeln kann man auch ein Rohr gebrauchen, das auf beiden Seiten Brewster-Platten trägt. Die Laserspiegel sind dann außerhalb des Rohres justierbar gehaltert.Instead of a laser tube with adjustable tubes on both sides You can also use a pipe to mirror, that on both sides Brewster Plates Bears. The laser mirrors can then be adjusted outside the tube held.

Durch Anordnung von verschiedenen, nicht dargestellten Zwischenelektroden zwischen den Elektroden 5 und 6 im Laserrohr 4 ist es möglich, den C02-Laser 1 abschnittsweise anzuregen, und damit die Betriebsspannung herabzusetzen.By arranging various intermediate electrodes (not shown) between the electrodes 5 and 6 in the laser tube 4 it is possible to use the CO 2 laser 1 in sections stimulate, and thus reduce the operating voltage.

Der bei Betrieb aus dem Laserrohr 4 austretende Laserstrahl 7 wird mit der Linse 8, z.B. einer Germanium-, linse, oder einem nicht gezeigten Spiegel auf eine Schmelzzone 9 eines in der eigentlichen Ziehvorrichtung 30 angeordneten Materials gebündelt.The laser beam 7 emerging from the laser tube 4 during operation is with the lens 8, e.g. a germanium lens, or a mirror not shown on a melting zone 9 arranged in the actual drawing device 30 Bundled materials.

Diese Schmelzzone 9 trennt einen an einen Keim anschließen den, bereits gezogenen einkristallinen Stab 11 von einem Rohling 12 des zu ziehenden stabförmigen Materials. Einkristalliner, Bereich 11 und Rohling 12 können zwecks besserer Durchmischung der Schmelze gegeneifnander rotieren.This melting zone 9 separates a connect to a germ, already drawn monocrystalline rod 11 from a blank 12 of the rod-shaped to be drawn Materials. Monocrystalline, area 11 and blank 12 can be used for better mixing of the melt rotate against each other.

Der Keim 10 kann in einer gewiinschten Orientierung; vorgegeben werden, so daß auch der zu ziehende Kristall mit dieser Orientierung wächst. In dem hier dargestellten Beispiel ist der Keim in der Ziehvorrichtung oben und der Rohling unten eingespannt. Jedoch kann man auch diese Anordnung umkehren, muß dann allerdings auch die Ziehrichtung ändern.The seed 10 can be in a desired orientation; are given, so that the crystal to be pulled also grows with this orientation. In this one The example shown is the seed in the pulling device above and the blank clamped at the bottom. However, you can also reverse this arrangement, but then you have to also change the direction of drawing.

Die Schmelzzone 9 muß durch das aufzuschmelzende Material hindurchgeführt werden. Dies geschieht dadurch, daß man entweder den Laser oder den Laserstrahl (z.B mittels Spiegeln) bewegt oder den Stab mit der Schmelzzone längs seiner Achse verschiebt.The melting zone 9 must pass through the material to be melted will. This is done by using either the laser or the laser beam (e.g. by means of mirrors) or the rod with the melting zone along its axis shifts.

In dem gezeichneten Ausführungbeipiel (Fig. 1 und Fig. 2) sind der Keim und das zu ziehende Material (der Rohling 12) in zwei Zangen 13 und 14 eingespannt, die in den Schlitten 15 bzw. 16 drehbar gelagert sind. Diese Schlitten 15 und 16 weisen Muttern 28, 29 bzw. 3i, 32 auf1 durch weiche sich die Spindeln 17, 18 bzw. 19i 20 erstrecken. Durch Drehung der Spindeln können die Shlitten 15 und 16 synchron oder mit ungleicher Geschwi ndi gLe t znieinander nach obcn oder unten gefahren werden. Ist die Geschwindigkeit verschieden, so wächst der zu ziehende Einkristall dicker oder dünner als der Rohling 12. Dabei soll von einer Volumenänderung abgesehen werden, die bereits durch Entweichen von Luft oder Gas auftritt, wenn z.B Sinterstäbe in Einkristalle übergeführt werden.In the drawn exemplary embodiment (Fig. 1 and Fig. 2) are the The germ and the material to be drawn (the blank 12) are clamped in two pliers 13 and 14, which are rotatably mounted in the carriage 15 and 16, respectively. These slides 15 and 16 have nuts 28, 29 or 3i, 321 by which the spindles 17, 18 or 19i 20 extend. By rotating the spindles, the slides 15 and 16 can be synchronized or driven up or down at different speeds will. Is the speed different, so it grows pulling single crystal thicker or thinner than the blank 12 Volume change can be avoided, which is already due to the escape of air or gas occurs when, for example, sintered rods are converted into single crystals.

Die Spindeln 17, 18 und 19, 20 werden mittels Reversiermotoren 21, 22 angetrieben; die Geschwindigkeit dieser Motoren kann stufenlos geregelt werden. Jeder Reversiermotor 21, 22 weist ein Getriebe 33 bzw. 34 und eine Magnetkupplung 23 bzw. 24 auf. Die von der Hagnetkupplung 23 ausgehende Welle 35 treibt über eine Schnecke 36 und ein Schneckenrad 37 die Spindel 17, über eine Schnecke 38 und ein Schneckenrad 39 die Spindel 18 an. Sämtliche $pindem sind in dem Steg 40 und der Grundplatte 41 drehbar gelagert. Durch die Drehung der Spindeln 17 und 18 wird der Schlitten 15 verschoben.The spindles 17, 18 and 19, 20 are driven by reversing motors 21, 22 driven; the speed of these motors can be regulated continuously. Each reversing motor 21, 22 has a gear 33 and 34, respectively, and a magnetic coupling 23 or 24. The outgoing from the Hagnetkupplung 23 shaft 35 drives a Worm 36 and a worm wheel 37, the spindle 17, via a worm 38 and a Worm gear 39 to the spindle 18. All of the pins are in the bridge 40 and the Base plate 41 rotatably mounted. By rotating the spindles 17 and 18, the Slide 15 moved.

In der gleichen Weise erfolgt der Antrieb des Schlittens 16 ist einer Welle 42, Schnecken 43, 45 und Schneckenrädern 44, 46. Die Stejg der Gewinde der Spindeln sowie die Schneckengetriebe, Getriebe und Reversiermotore sind so ausgelegt, p;t daß eine maximale Schlittengeschwindigkeit van 20 mm/Stunde erreichbar ist. Um jedoch zum Einrichten der Schlitten größere Geschwindigkeiten erzielen zu können, weist jede Welle 35, 42 einen zusätzlichen Schnellgang auf. Zu diesem Zweck ist ein weiterer Elektromotor 27 vorgesehen, der über einRitzel 47 und Zahnräder, 48, 49 die Wellen 35, 42 über Elektromagnetkupplungen 25 bzw. 26 antreibt.The carriage 16 is driven in the same way Shaft 42, worms 43, 45 and worm wheels 44, 46. The stejg of the thread of the Spindles as well as the Worm gears, gears and reversing motors are designed so that a maximum slide speed of 20 mm / hour is attainable. However, in order to set up the carriage greater speeds To be able to achieve, each shaft 35, 42 has an additional overdrive. For this purpose, a further electric motor 27 is provided, which via a pinion 47 and gears, 48, 49 the shafts 35, 42 via electromagnetic clutches 25 and 26 drives.

Soll der -Antrieb der Spindeln über den Elektromotor 27 erfolgen, so sind die Elektromagnetkupplungen 25, 26 zu den Wellen 35, 42 eingerückt, die Elektromagnetkupplungen 23, 24 hingegen ausgerückt. Im umgekehrten Fall sind die Elektromagnetkupplungen 25, 26 ausgerückt, wogegen die Elektromagnetkupplungen 23, 24 den Kraftfluß von den Reversierinotoren 21, 22 zu den Wellen 35, 42 herstellen.If the spindles are to be driven by the electric motor 27, so the electromagnetic clutches 25, 26 are engaged to the shafts 35, 42, the Electromagnetic clutches 23, 24, however, disengaged. In the opposite case, they are Electromagnetic clutches 25, 26 disengaged, whereas the electromagnetic clutches 23, 24 establish the power flow from the reversing motors 21, 22 to the shafts 35, 42.

Um einen optimalen Synchronlauf der beiden Schlitten 15, 16 zu erreichen, kann aber auch der Antrieb beider Wellen 35, 42 über einen einzigen Reversiermotor, z.B.In order to achieve optimal synchronous running of the two carriages 15, 16, but it is also possible to drive both shafts 35, 42 via a single reversing motor, e.g.

dem Motor 22, erfolgen. Dann ist die Elektromagnetkupplung 23 gelöst, die Elektromagnetkupplungen 24, 25, 26 sind eingerückt; der Elektromotor 27 läuft in diesem Fall leer mit.the motor 22 take place. Then the electromagnetic clutch 23 is released, the electromagnetic clutches 24, 25, 26 are engaged; the electric motor 27 is running in this case empty with.

Wie bereits erwähnt, ist das zu bearbeitende Material, der Rohling 12, in die Zange 14 eingespannt, der geimling mit dem bereits einkristallin gezogenen Stab il in der Zange 13. Beim gezeichneten Ausführungsbeispiel sind diese Zangen Bohrfutter. Die Zangen 13, 14 sind in den Schlitten 15 bzw. 16 drehbar gelagert. Die Zange 13 wird über eine Seilscheibe 50, einen Treibriemen 52 und eine weitere Seilscheibe 54 in Drehung versetzt. Letztere ist ebenfalls auf dem Schlitten 15 drehbar gelagert. Durch sie hindurch erstreckt sich eine Profilstange 56, z.B.As already mentioned, the material to be processed is the blank 12, clamped in the pliers 14, the geimling with the one that has already been drawn in monocrystalline form Rod il in the pliers 13. In the illustrated embodiment, these are pliers Drill chuck. The tongs 13, 14 are rotatably mounted in the carriage 15 and 16, respectively. The pliers 13 is a pulley 50, a drive belt 52 and another Sheave 54 set in rotation. The latter is also on slide 15 rotatably mounted. A section bar 56 extends through it, e.g.

eine Vierkantstange, die wiederum zwischen den Stegen 40 und 41 drehbar gelagert ist. An dem dem Steg 41 zugewandten Ende weist die Profilstange 56 ein Kegelradgetrieb 57, 58 auf, das über eine Welle 59 mit einem weiteren Elektromotor 60 verbunden ist. Über diesen Elektromotor 60 erfolgt in der beschriebenen Weise der Antrieb der Zange 13 des Schlittens 15.a square bar, which in turn is rotatable between the webs 40 and 41 is stored. At the end facing the web 41, the profile rod 56 has a Bevel gear 57, 58, which has a shaft 59 with a further electric motor 60 is connected. This electric motor 60 takes place in the manner described the drive of the tongs 13 of the carriage 15.

Gleichzeitig treibt die Profilstange 56 auch die Zange 14 des Schlittens i6 an. Sie ist im Schlitten 16 ebenfalls drehbar gelagert. Der Antrieb der Zange 14 erfolgt in der gleichen Weise, wie vorstehend für die Zange 13 beschrieben, über eine Seilscheibe 51, Treibriemen 53, Seilscheibe 55.At the same time, the profile rod 56 also drives the tongs 14 of the carriage i6 on. It is also rotatably mounted in the carriage 16. The drive of the pliers 14 takes place in the same way as described above for the pliers 13 over a pulley 51, drive belt 53, pulley 55.

Wenn die Zangen 13 und 14 gegenläufig rotieren sollen, wird ein Treibriemen 52, 53 gekreuzt auf seine Seilscheiben aufgelegt und der andere nicht gekreuzt.If the tongs 13 and 14 are to rotate in opposite directions, a drive belt is used 52, 53 placed crossed on its pulleys and the other not crossed.

Die Passung der Profilstange 56 in den Seilscheiben 54,55 ist so gewählt, daß trotz des Antriebs der Seilscheiben über die Profilstange eine axiale Verschiebung mit den angetriebenen Schlitten 15, 16 möglich ist.The fit of the profile rod 56 in the pulleys 54,55 is chosen so that despite the drive of the pulleys on the profile rod an axial displacement with the driven carriage 15, 16 is possible.

Es bleibt noch zu ergänzen, daß der Steg 4o, in dem die Spindeln 17 bis 20 drehbar gelagert sind, über Säulen 61,62 mit der Grundplatte 41 fest verbunden ist.It remains to be added that the web 4o, in which the spindles 17 to 20 are rotatably mounted, firmly connected to the base plate 41 via columns 61, 62 is.

Die Grundplatte 41 ist auf Ständern 63 bis 66 angeordnet.The base plate 41 is arranged on stands 63 to 66.

An ihr sind weiterhin über Lagerböcke 67, 68, 69 die Wellen 35 und 42 gelagert, außerdem die Elektro- oder Reversiermotoren 21, 22, 27, 60.On her are still on bearing blocks 67, 68, 69 the waves 35 and 42, as well as the electric or reversing motors 21, 22, 27, 60.

Ferner hat es sich als zweckmäßig erwiesen, im wachsenden Kristall den radialen Temperaturgradienten möglichst klein zu halten. Man vermeidet auf diese Weise Spannungen und Inhomogenitäten im gezogenen Kristall, Der radiale Temperaturgradient wird vermindert, wenn man den Stab mit einem Ofen 80 (Fig. 1) umgibt. Diese Zusatzheizung ist z,B. bei Züchtung von Rubinkristallen bereits gut wirksam, wenn sie ohne Laserheizung den Stab auf 1400° C aufzuheizen vermag.It has also proven to be useful in the growing crystal to keep the radial temperature gradient as small as possible. One avoids on this Way tensions and inhomogeneities in the pulled crystal, the radial temperature gradient is diminished by surrounding the rod with an oven 80 (Fig. 1). This additional heater is e.g. Already effective in growing ruby crystals if they are not heated with a laser able to heat the rod to 1400 ° C.

Der Ofen 80 ist deppelwandig ausgefürt. Zwischen den beiden Wandungen ist eine Heisspirale 81 angeordnet.The furnace 80 is designed with a bump wall. Between the two walls a hot spiral 81 is arranged.

Der Raum für die Heizspirale 81 kann durch einen Stutzen 82 mit Schutzgas beschickt werden, welches an einem weiteren Stutzen 83 austrått.The space for the heating coil 81 can be filled with protective gas through a nozzle 82 be charged, which exits at a further port 83.

Eine weitere Mölisichkeit zur Verringerung der Abstrahlungs verluste und des dadurch bedingten radialen Temperatur gradienten kann dadurch erzielt werden, daß gemäß Fig. 2 anstelle des Ofens 80 ein Hoblspiegel 84 angeordnet wird de Als Rohstäbe kann man Preßstäbe und Sinterstäbe sowie auch polykristalline und einkristalline Stäbe geringer Qualität nehmen.Another way to reduce radiation losses and the resulting radial temperature gradient can be achieved by that according to FIG. 2, instead of the oven 80, a planing mirror 84 is arranged as Raw bars can be pressed bars and sintered bars, as well as polycrystalline and monocrystalline Take poor quality rods.

Ferner erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren des tiegelfreien Zonenschmelzens mitaLaser, auch einkristalline Formteile, z.B. Rohre und Scheiben, herzustellen. Diese lassen sich bekanntlich nicht aus dem Tiegel ziehen: Stets treten infolge der Oberflächenspannung solche Zugkräfte auf, daß auch bei beliebig gestaltetem Keim allmälilich die größtmögliche Symmetrie eingestellt wird und ein kreiszylindrischer Stab entsteht. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man dagegen durch geeig nete Formgebung von Keim und Rohstück (Preßling) erreichen, daß sich zwischen diesen eine Flüssigkeitszone mit vertikaler Tangente an der Phasengrenze beim Keim ausbildet und somit der Kristall in der vorgegebenen Form wächst.Furthermore, the method according to the invention allows crucible-free zone melting mitaLaser can also produce single-crystal molded parts, e.g. tubes and panes. As is well known, these cannot be drawn from the crucible: Always occur due to the surface tension such tensile forces that even with any shaped germ is gradually adjusted to the greatest possible symmetry and a circular cylindrical rod is created. According to the method according to the invention you can on the other hand, by appropriately shaping the germ and raw piece (pressed part), that between these there is a liquid zone with a vertical tangent at the phase boundary forms at the nucleus and thus the crystal grows in the given shape.

Dabei muß man allerdings im allgemeinen auf eine Verdrehung von Keim und Rohling gegeneinander verzichten.In doing so, however, one generally has to look for a twisting of the germ and blank against each other.

Besonders interessant ist dieses Verfahren æ.B. für die Herstellung großer Scheiben aus Aluminiumoxid (Saphir).This method is particularly interesting æ.B. for the production large discs made of aluminum oxide (sapphire).

Natürlich erhält man eine langgestreckte Schmelzzone in einer großen Schein nur mit relativ großer Laserleistung: Man muß mit mehreren Lasern arbeiten oder die Leistung eines besonders starken Lasers mit einer Zylinderlinse in der entsprechenden Richtung auseinanderziehen(Fig. 4, 5).Of course, one obtains an elongated melting zone in a large one Shine only with a relatively high laser power: You have to work with several lasers or the power of a particularly powerful laser with a cylindrical lens in the pull apart in the corresponding direction (Fig. 4, 5).

Schließlich ist es möglich, den Kristall in Form einer rotierenden etwa kreisförmigen Scheibe zu ziehen und dabei entweder von einer entsprechend großen Rohscheibe auszugeben und die Schmelzzone von der Mitte spiralig nach außen zu führen, oder den Kristall, von einem stabförmigen Keim ausgehend, so aufzubauen, daß man den Laserstrahl auf eine Stelle am Umfang des Keims bzw. der sich langsam drehenden Scheibe richtet und das aufzuschmelzende Material in Stabform nachschiebt.Finally it is possible to have the crystal in the form of a rotating to draw approximately circular disc and either by a correspondingly large one Raw slice and spiral the melt zone from the center to lead outwards, or the crystal, starting from a rod-shaped nucleus, set up in such a way that the laser beam hits a point on the circumference of the germ or the slowly rotating disc and the material to be melted in Pushes rod shape.

Beispiel l.Example l.

Ein gesinterter Stab aus Aluminiumoxid mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Länge von 200 mm wurde in die Zangen der Ziehvorrichtung eingespannt. Beide Zangen liefen zunächst in der gleichen Richtung um. Der Laserstrahl wurde über einen Spiegel mit einer Brennweite von l m auf den Stab unterhalb dessen Mitte gerichtet.A sintered rod of alumina 5 in diameter mm and a length of 200 mm was clamped in the tongs of the pulling device. Both tongs initially ran in the same direction. The laser beam was through a mirror with a focal length of 1 m onto the rod below its center directed.

Der Durchmesser des Laserstrahles beim Auftreffen auf den Stab betrug 4 mm. Seine Leistung wurde so bemessen, daß eine Schmelzzone von etwa 10 mm Höhe entstand. Die hierfür erforderliche Laserleistung betrug 400 Watt.The diameter of the laser beam when it hit the rod was 4 mm. Its power was measured so that a melting zone of about 10 mm in height originated. The laser power required for this was 400 watts.

Nachdem die Schmelzzone erzeugt war, wurde während des Betriebes die Drehrichtung des einen Stabendes umgekehrt. Die relative Drehgeschwindigkeit der beiden Stabenden gegeneinander betrug 60 UpM. Diese relative Drehgeschwindigkeit der beiden Stabenden sorgt für eine gute Durchmischung der Schmelzzone. Die Schmelzzone wurde mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 mm/Stunde durch den Stab nach oben geführt. Dies geschah entweder durch synchrones Abwärtsbewegen beider Stabenden oder durch Ablenken des Laserstrahles mit dem oben erwähnten Spiegel (Durch die Hindurchführung der Schmelzzone durch den gesinterten Stab wurde dieser in einen Saphir-Einkristall übergeführt.) Zur Kompensation der Wärmeabstrahlungsverlüste wurde der Stab, also das zu ziehende Material, mit einem Ofen umgeben. Der Ofen wies eine Ausnehmung auf, durch die der Laserstrahl auf das zu ziehende Material gerichtet wurde.After the melting zone was created, the Reverse direction of rotation of one end of the rod. The relative speed of rotation of the two rod ends against each other was 60 rpm. This relative speed of rotation the two ends of the rod ensures that the melting zone is thoroughly mixed. The melting zone was passed up through the rod at a rate of about 10 mm / hour. This was done either by synchronously moving both rod ends down or by Deflecting the laser beam with the above-mentioned mirror (through the duct the melting zone through the sintered rod, this became a sapphire single crystal transferred.) To compensate for the heat radiation losses, the rod, so the material to be drawn, surrounded with an oven. The oven had a recess through which the laser beam was directed onto the material to be drawn.

Die Ofentemperatur lag dabei oberhalt 1450 C.The furnace temperature was above 1450 C.

Durch die auf diese Weise erzielte Verminderung des radialen Temperaturgradienten gelang es, weitgehend spannungsfreie Kristalle zu ziehen. Die im Sinterstab enthaltenen Verunreinigungen wurden von der Schmelzzone erfaßt und in dieser mitgeführt, so daß ein weitgehend gereinigter Saphir-Einkristall entstand.The reduction in the radial Temperature gradients succeeded in pulling largely tension-free crystals. the Impurities contained in the sintered rod were captured by the melting zone and carried along in this, so that a largely purified sapphire single crystal was created.

Beispiel 2: Gemäß Beispiel 1 wurde ein mit 0,04 Gew.% Chrom als Chromoxid dotierter Aluminiumoxid-Sinterstab in einen Rubin-Einkristall übergeführt.Example 2: According to Example 1, a with 0.04 wt.% Chromium was used as chromium oxide doped aluminum oxide sintered rod converted into a ruby single crystal.

Beispiel 3 Es wurde von einem Aluminiumoxid-Sinterstab und einem Keimling ausgegangen. Beide wurden an ihrem einen Ende in die Zangen eingespannt und so aufeinander zubewegt, daß ihre beiden andern Enden im Laserstrahl aufgeschmol zen wurden. Nach Berührung der beiden aufgeschmolzenen Enden entstand eine Schmelzzone, die dann wiederum gemäß Beispiel 1 durch den Stab hindurchgeführt wurde.Example 3 It was made from an alumina sintered rod and a seedling went out. Both were clamped in the pincers at one end and so on top of each other moved so that its other two ends were melted zen in the laser beam. To Touching the two melted ends created a melting zone, which then was again passed through the rod according to Example 1.

Beispiel 4: Die Beispiele 1 bis 3 wurden so modifiziert, daß die Schmelzzone im eingespannten Stab von oben nach unten durchgeführt wurde; wiederum entweder durch synchrone Bewegung der beiden Stabenden bzw. von Keimling und Stab oder durch Ablenken des Laserstrahles.Example 4: Examples 1 to 3 were modified so that the melting zone was carried out in the clamped rod from top to bottom; turn either by synchronous movement of the two ends of the rod or of the seedling and rod or through Deflecting the laser beam.

Die hier aufgeführten Umwandlungen von reinem und dotiertem Aluminiumoxyd in Saphir- bzw. Rubin-Einkristalle sind Beispiele. Sie gelten in analoger Weise auch für die Umwandlung der oben angeführten Materialien in ihre einkristalline Form.The transformations of pure and doped aluminum oxide listed here in sapphire or ruby single crystals are examples. They apply in an analogous manner also for the conversion of the above-mentioned materials into their monocrystalline Shape.

Claims

1. Process for the production of single crystals according to the tJethode des Deep-free zone melting in which the materials are melted with the aid of a laser beam be melted in zones, according to patent .........

(Patent application P 17 69 405.2-43), characterized in that the Crystals are doped during the zone melting process that on the Doping atoms brought to the surface mixed into the melt and into the crystal to be built in.

2. The method according to claim 1, characterized in that the Thickness of the drawn rod due to changing speeds of the two germ and Raw bar carrying carriage varies relative to each other, in particular that one for Improving the crystal quality when drawing, first producing a thin neck.

3. The method according to nsprucIl 1 and 2, characterized in that one by shaping the blank and, if necessary, moving the kim and / or blank in the Holder eiScristalline produces molded parts, in particular Pipes, discs and boats.

4. The method according to claim 1 to 3, characterized gekennzeicllr.et that the crystal is made in the form of a disk by using a rotating one The raw disk works and the melting zone, starting from the center, spirals outwards leads.

5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that starting from a rod or seedling rotating about its longitudinal axis by radial feed and application of heat raw material by melting it with the help of the laser beam a monocrystalline disk is produced in a spiral shape.

6. The method according to claim 1 to 5, characterized in that the The blank to be converted is surrounded by a furnace, the temperature of which is below the Melting temperature of the crystal material is and the one recess for the Passage of the laser beam has on the blank.

7. Verfireii according to claim 1 to 6, characterized by that the temperature difference between the melting temperature of the crystal material or blank and the furnace is less than 500 ° C.

8. The method according to claim 1 to 6, characterized in that the The blank is surrounded by a concave mirror to reduce heat loss is.

L e r s e i t e