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Dokumentenidentifikation DE60119607T2 03.05.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001132503
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Oxid-Einkristallen
Anmelder NGK Insulators, Ltd., Nagoya, Aichi, JP
Erfinder Imai, Katsuhiro, Nagoya City, Aichi Pref., JP;
Honda, Akihiko, Nagoya City, Aichi Pref., JP;
Imaeda, Minoru, Nagoya City, Aichi Pref., JP
Vertreter LEINWEBER & ZIMMERMANN, 80331 München
DE-Aktenzeichen 60119607
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 28.02.2001
EP-Aktenzeichen 013018387
EP-Offenlegungsdatum 12.09.2001
EP date of grant 17.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2007
IPC-Hauptklasse C30B 15/08(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse C30B 15/36(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   C30B 29/30(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung (1) Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Oxid-Einkristalls.

(2) Stand der Technik

Ein Einkristall von Lithiumkaliumniobat und ein Einkristall einer festen Lösung von Lithiumkaliumniobat-Lithiumkaliumtantalat finden insbesondere als Einkristalle für eine Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen (SHG) mit Blaulicht für einen Halbleiterlaser Beachtung. Die Vorrichtung kann sogar UV-Licht mit einer Wellenlänge von 390 nm oder dergleichen emittieren, wodurch sich die Kristalle für eine große Bandbreite an Anwendungen eignen, wie z.B. für optische Plattenspeicher, in der Medizin und Photochemie sowie für verschiedene optische Messverfahren, bei denen solche kurzwellige Strahlen verwendet werden. Da obige Einkristalle über eine starke elektro-optische Wirkung verfügen, können sie auch bei optischen Plattenspeichern angewandt werden, die sich die Lichtbrechungswirkung zunutze machen.

Bei einer Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen kann jedoch beispielsweise sogar eine kleine Schwankung in der Zusammensetzung des Einkristalls die Wellenlänge der von der Vorrichtung erzeugten zweiten harmonischen Welle beeinflussen. Deshalb muss der für die Einkristalle erforderliche Zusammensetzungsbereich exakt bestimmt werden, und die Schwankungen in der Zusammensetzung sollten auf einen engen Bereich begrenzt sein. Da die Zusammensetzung jedoch aus drei oder vier Komponenten besteht, ist es äußerst schwierig, einen Einkristall bei hoher Geschwindigkeit wachsen zu lassen, während gleichzeitig darauf geachtet werden muss, dass das Verhältnis der Komponenten konstant bleibt.

Darüber hinaus müssen Laserstrahlen mit einer kurzen Wellenlänge von etwa 400 nm beispielsweise im Einkristall bei optischen Anwendungen, insbesondere für die Erzeugung der zweiten Harmonischen, mit der höchstmöglichen Leistungsdichte verbreitet werden, wobei optische Schäden vermieden werden müssen. Dazu ist eine gute Kristallinität des Einkristalls erforderlich.

NGK Insulators, Ltd., haben beispielsweise in JP-A-8-319.191 ein Mikro-(&mgr;-)Verfahren zum Nachuntenziehen für das Wachsenlassen des obigen Einkristalls mit den konstanten Zusammensetzungsanteilen vorgeschlagen. In diesem Verfahren wird ein Rohmaterial, das Lithiumkaliumniobat umfasst, in einen Platinschmelztiegel platziert und geschmolzen, wonach die Schmelze langsam und kontinuierlich durch eine Düse, die am Boden des Schmelztiegels angebracht ist, nach unten gezogen wird.

Ein solches Mikroverfahren zum Nachuntenziehen eignet sich zum Züchten des obigen Oxid-Einkristalls, der viele Komponenten aufweist. Für den weitverbreiteten Gebrauch des obigen Einkristalls ist eine gesteigerte industrielle Produktivität jedoch unerlässlich. Zu diesem Zweck muss das Fassungsvermögen des Schmelztiegels vergrößert werden, damit so viele Einkristalle wie möglich wachsen gelassen werden können. Dazu ist erforderlich, dass unter dem Schmelztiegel eine Antriebseinheit bereitgestellt ist, ein Keimkristall an ein oberes Ende der Antriebseinheit festgemacht ist, der Keimkristall mit der Schmelze im Schmelztiegel in Berührung ist und der Keimkristall so gerade wie möglich mit hoher Präzision nach unten gezogen wird. Als derartig präzisen Mechanismus zum Nachuntenziehen kann beispielsweise eine Antriebseinheit mit einer Schiene verwendet werden.

Massenherstellungsversuche der Erfinder der vorliegenden Erfindung ergaben jedoch, dass ein Einkristall mit guter Kristallinität erfolgreich wachsen gelassen werden konnte, indem der Keimkristall mit hoher Präzision zu Beginn nach unten gezogen wurde, wobei sich mit (im Laufe der Zeit) zunehmender Wachstumslänge des Oxid-Einkristalls die Kristallinität des Oxid-Einkristalls verschlechtert, wodurch die Ausbeute verringert wird.

In der DE-A-2409640 ist eine Vorrichtung zur optischen Orientierung eines Einkristalls zur Verwendung in der Halbleiterherstellung beschrieben, die einen Ständer aufweist, der eine Winkel- und Drehungseinstellung der Kristallposition ermöglicht.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Verschlechterung der Kristallinität eines Einkristalls zu verhindern, die mit Zunahme der Wachstumslänge des Einkristalls einhergeht, wenn ein Rohmaterial für den Oxid-Einkristall in einem Schmelztiegel geschmolzen, ein Keimkristall mit der Schmelze in Berührung gebracht und der Oxid-Einkristall wachsen gelassen wird, während er durch eine Öffnung des Schmelztiegels entlang einer bestimmten Ziehachse nach unten gezogen wird.

In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Oxid-Einkristalls bereitgestellt, wie in Anspruch 1 dargelegt.

In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls eines Oxids bereitgestellt, wie in Anspruch 5 dargelegt.

Hinsichtlich der oben angeführten Fälle, bei denen die Kristallinität der Einkristalle mit zunehmender Wachstumslänge schrittweise schlechter wurden, unterzogen die Erfinder der vorliegenden Erfindung den Zustand der Einkristallfasern und der Platten einer detaillierten Untersuchung. Dies ergab, dass der Durchmesser entlang eines Endes in Richtung des anderen Endes des Einkristalls leicht abnahm. Anders gesagt wurde ersichtlich, dass der Durchmesser der Einkristallfasern tendenziell entlang des Wachstumsbeginnendes in Richtung des Wachstumsabschlussendes leicht abnahm. Zudem wurde herausgefunden, dass sich die Einkristallplatte leicht verdrehte.

Auf diesen Kenntnissen beruhend unternahmen die Erfinder der vorliegenden Erfindung weitere Forschungen und kamen zum Schluss, dass die Art und Weise, wie der Keimkristall gehalten wird, ein Grund sein könnte. Dies bedeutet, dass der Keimkristall nach dem Festmachen am Halteelement nach unten gezogen werden muss. Zum Festmachen des Keimkristalls am Halteelement wird eine spezifische Kristallorientierung des Keimkristalls als Kristallwachstumsrichtung ausgewählt, wonach diese Kristallorientierung mit der Richtung der Ziehachse ausgerichtet wird. Die so ausgewählte Kristallorientierung verläuft herkömmlicherweise parallel zur Richtung einer spezifischen Seite, die die äußere Konfiguration des Keimkristalls bildet. Deshalb muss die Richtung der spezifischen Seite des Keimkristalls (nämlich die obige Kristallorientierung des Keimkristalls) mit der Ziehachse ausgerichtet werden, wenn der Keimkristall gerade an das Halteelement festgemacht ist, wobei die spezifische Seite als Bezug genommen wird.

Sogar wenn der Keimkristall an das Halteelement in einem Zustand festgemacht wird, bei dem die obige Kristallorientierung des Keimkristalls mit der Ziehachse ausgerichtet ist, wird dennoch angenommen, dass die Kristallorientierung des Keimkristalls aufgrund unspezifischer Ursachen, wie z.B. nicht einheitlichem Schrumpfen des Haftmittels während des Härtens, sogar von der Ziehachse abweichen kann. In einem solchen Fall ist die Kristallorientierung des Keimkristalls gegenüber der Ziehachse schief, sogar wenn der Keimkristall entlang der Ziehachse nach unten gezogen wird. Der Oxid-Einkristall wächst entlang der Kristallorientierung des Keimkristalls. Folglich neigt sich die Einkristallwachstumsrichtung leicht zur Ziehachse. Daraus ergibt sich die Annahme, dass trotz Nichtvorliegen eines ernsten Problems zum Zeitpunkt des Einkristallwachstumsbeginns der Durchmesser der Einkristallfaser langsam abnimmt oder die Breite der Einkristallplatte sich schrittweise mit wachsender Länge des Einkristalls verringert.

Darauf beruhend haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung versucht, einen Kippmechanismus bereitzustellen, um das Halteelement durch Verändern seines Winkels zur Ziehachse zu neigen, das Halteelement in Bezug zur Ziehachse zu neigen, nachdem der Keimkristall vom Halteelement gehalten worden ist, und dadurch den Winkel der Ziehachse auf die für das Wachstum des Kristalls ausgewählte Kristallorientierung zu reduzieren. Dadurch gelang es den Erfindern der vorliegenden Erfindung, das Kleinerwerden des Durchmessers der Einkristallfaser und die Abnahme der Breite der Einkristallplatte zu verhindern. Zudem fanden die Erfinder der vorliegenden Erfindung heraus, dass die Kristallinität des Einkristalls, verglichen mit der Kristallinität zum Zeitpunkt des Kristallwachstumsbeginns, nicht verschlechtert wurde.

In der vorliegenden Erfindung ist der Winkel der Kristallorientierung des Keimkristalls, der für das Kristallwachstum ausgewählt wurde, zur Ziehachse insbesondere auf nicht mehr als 0,5°, noch bevorzugter nicht mehr als 0,2°, eingestellt.

Der Keimkristall weist vorzugsweise eine Querschnittsform auf, die mit der Bodenfläche des Düsenabschnitts identisch oder dieser ähnlich ist, jedoch kleiner als diese ist und verglichen damit in allen Richtungen eine reduzierte Größe aufweist. Anders gesagt weist der Boden des Düsenabschnitts eine polygonale Querschnittsform auf, beispielsweise eine rechteckige Querschnittsform, und der Keimkristall weist eine polygonale, beispielsweise rechteckige, Querschnittsform auf, die mit jener der Düsenbodenfläche identisch oder dieser ähnlich ist, jedoch eine verringerte Größe aufweist. Was Letzteres betrifft, kann die Querschnittsform des Keimkristalls beispielsweise 30 mm × 1 sein, wenn die Bodenfläche des Düsenabschnitts 50 mm × 2 mm beträgt.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Ständer mit einem Drehmechanismus zum Drehen des Halteelements um die Ziehachse bereitgestellt. Nachdem der Keimkristall vom Halteelement gehalten wird, wird das Halteelement gedreht, damit die Querschnittsform des Keimkristalls der Bodenfläche des Düsenabschnitts entspricht. "Damit die Querschnittsform des Keimkristalls der Bodenfläche des Düsenabschnitts entspricht" bedeutet, dass die Seiten der Querschnittsform des Keimkristalls so angeordnet sind, dass sie den entsprechenden Seiten der Bodenfläche des Düsenabschnitts entsprechen oder diesen gegenüberliegen. Indem der Keimkristall um die Ziehachse gedreht wird, werden die Winkel, die von einer Vielzahl an Paaren der Seiten der polygonalen Querschnittsform des Keimkristalls und den entsprechenden der polygonalen Form der Öffnung des Schmelztiegels definiert sind, jeweils verkleinert. Dieser Winkel beträgt vorzugsweise nicht mehr als 0,5°, noch bevorzugter nicht mehr als 0,3°.

Im Folgenden wird diese Ausführungsform beschrieben. Wenn beispielsweise eine Einkristallplatte wachsen gelassen wird, ist die gewachsene Einkristallplatte abgesehen von den oben erläuterten Problemen leicht verdreht. Wie oben erläutert, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung versucht, den Drehmechanismus zum Drehen des Keimkristalls um die Ziehachse bereitzustellen und die Konfiguration des Querschnitts des Keimkristalls jener der Bodenfläche der Düse durch Drehen des Halteelements anzunähern. In der Folge wurde herausgefunden, dass die Verdrehungsverformung der gewachsenen Einkristallplatte reduziert oder fast nicht zu erkennen war und die Kristallinität sich über der gesamten Länge der Einkristallplatte verbessert hatte.

Die Konfiguration der Bodenfläche des Düsenabschnitts und die Querschnittskonfiguration des Keimkristalls sind insbesondere quadratisch oder rechteckig. Dabei beträgt das Verhältnis zwischen den benachbarten Seiten vorzugsweise insbesondere 1:1 bis 100.

Nachstehend ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung anhand von Beispielen veranschaulicht. 1 ist eine schematische Schnittansicht, die die Herstellungsvorrichtung zum Wachsenlassen der Einkristalle darstellt, und 2 ist eine Vorderansicht, die einen Ständer 30 zum Festhalten eines Keimkristalls darstellt.

Ein Schmelztiegel 7 wird in ein Ofengehäuse platziert. Eine obere Ofeneinheit 1 ist so angeordnet, dass der Schmelztiegel 7 und ein oberer Raum 5 davon umgeben sind, und weist ein darin eingebettetes Heizelement 2 auf. Ein Düsenabschnitt 13 erstreckt sich vom Bodenteil des Schmelztiegels 7 nach unten verlaufend, und eine Öffnung 13a ist am unteren Ende der Düse 13 ausgebildet. Eine untere Ofeneinheit 3 ist so angeordnet, dass der Düsenabschnitt und ein unterer Bereich 6 davon umgeben sind, und weist ein darin eingebettetes Heizelement 4 auf. Sowohl der Schmelztiegel 7 als auch der Düsenabschnitt 13 bestehen aus einem korrosionsbeständigen leitfähigen Material.

Einer der elektrischen Pole einer elektrischen Stromquelle 10 ist mit einer Stelle A des Schmelztiegels 7 über einen Draht 9 verbunden, und der andere Pol ist auf ähnliche Weise mit einer niedriger liegenden gebogenen Stelle B des Schmelztiegels 7 verbunden. Ein elektrischer Pol einer anderen Stromquelle 10 ist mit einer Stelle C des Düsenabschnitts 13 über einen Draht 9 verbunden und der andere auf ähnliche Weise mit einem niedriger liegenden Ende D des Düsenabschnitts 13. Diese stromdurchlassenden Systeme sind so voneinander getrennt, dass deren Spannungen unabhängig voneinander geregelt werden können.

Zudem liegt ein Nachheizelement 12 im Raum 6 so vor, dass die Düse 13 mit einem Abstand dazwischen davon umgeben ist. Ein Einlassschlauch 11 erstreckt sich nach oben hin im Schmelztiegel 7, und eine Einlassöffnung 22 ist am oberen Ende des Einlassschlauchs 11 bereitgestellt. Die Einlassöffnung 22 steht aus einem Bodenabschnitt einer Schmelze hervor.

Die obere Ofeneinheit 1, die untere Ofeneinheit 3 und das Nachheizelement 12 können erhitzt werden, um eine geeignete Temperaturverteilung für jeweils den Raum 5 und den Raum 6 einzustellen. Anschließend wird ein Rohmaterial der Schmelze in den Schmelztiegel 7 zugeführt und zum Erhitzen der Schmelztiegel 7 sowie die Düse mit Strom versorgt. In diesem Zustand steht eine geringe Menge der Schmelze 8 durch die Öffnung 13a an einem Einkristallwachstumsabschnitt 35 am unteren Endabschnitt des Düsenabschnitts 13 hervor.

In diesem Zustand wird ein Keimkristall nach oben hin bewegt, sodass eine obere Fläche 15c des Keimkristalls 15 mit der Schmelze 8 in Berührung kommt. Anschließend wird der Keimkristall 15 nach unten gezogen. Zu diesem Zeitpunkt bildet sich eine einheitliche Festphasen/Flüssigphasen-Grenzfläche (Meniskus) zwischen dem oberen Ende des Keimkristalls 15 und der Schmelze 8 aus, wobei diese von der Düse 13 nach unten gezogen wird. In der Folge kommt es zu einer kontinuierlichen Ausbildung eines Einkristalls 14 an der oberen Seite des Keimkristalls 15, der nach unten hin ausgezogen wird.

Als Keimkristalle können solche verwendet werden, die verschiedene Formen aufweisen. In dieser Ausführungsform wird beispielsweise ein planarer Keimkristall, nämlich eine Einkristallplatte, als Keimkristall verwendet. Wie in den 2, 3(a) und 3(b) angeführt, weist der Keimkristall ein Paar an breiten Hauptebenen 15a, ein Paar an Seitenebenen 15b, eine obere Fläche 15c zum Kontaktieren der Schmelze und eine untere Fläche 15d gegenüber der oberen Fläche 15c auf.

Ein Ständer 30 ist auf einem Anpasstisch 24 angeordnet. Der Anpasstisch 24 ist an einen nicht gezeigten externen Antriebsmechanismus befestigt. Der Antriebsmechanismus zieht den gesamten Ständer 30 entlang der Ziehachse P nach unten.

Der Boden 15d des Keimkristalls 15 ist mit einem Haftmittel 16 an ein oberes Ende des Halteelements 17 gebunden. Das untere Ende des Halteelements 17 ist mit einem Spannfutter 18 in einen Einstellmechanismus unter dem Spannfutter gespannt. Der gesamte Einstellmechanismus ist auf dem Anpasstisch 24 festgemacht. Der Einstellmechanismus umfasst einen Drehmechanismus 19, einen Kippmechanismus 20 und einen Horizontalbewegungsmechanismus 25.

Der Drehmechanismus 19 kann das Halteelement um die Ziehachse P drehen. Der Kippmechanismus 20 kann das Halteelement 17, in Bezug auf die Ziehachse, in eine beliebige Richtung drehen. Der Horizontalbewegungsmechanismus 25 umfasst einen X-Achsen-Drehmechanismus 23 und einen Y-Achsen-Drehmechanismus 21. Der X-Achsen-Drehmechanismus 23 kann, wie in 3(b) angeführt, das Halteelement beliebig in X-Achsenrichtung bewegen. Der Y-Achsen-Drehmechanismus 21 kann das Halteelement beliebig in Y-Achsenrichtung bewegen. Die Z-Achse in 3(b) entspricht der Ziehachse P.

In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Keim-Einkristall 15 an das Halteelement gebunden und anschließend eine Vielzahl, beispielsweise 10 Einkristalle, nacheinander wachsen gelassen. Deshalb werden beispielsweise nach erfolgtem Wachsenlassen der ersten Einkristallfaser oder -platte Größenveränderungen, wie z.B. Durchmesser und Breite, des Querschnitts des Einkristalls detailliert untersucht. Bei Abweichungen werden je nach Abweichung die Mechanismen 19 oder 20 betätigt. Dann folgt der nächste Vorgang zum Wachsenlassen.

Wenn der Durchmesser der Einkristallfaser beispielsweise entlang eines Endes zum anderen abnimmt, wird angenommen, dass der Winkel &thgr; zwischen der Kristallisationsorientierung L (siehe 3(a)), ausgewählt als Wachstumsrichtung, und der Ziehachse P groß ist. Deshalb wird der Winkel der Wachstumsfläche der Einkristallfaser gemessen, um die Richtung der Kristallisationsorientierung L von diesem Winkel der kristallisierenden Fläche aus zu bestimmen. Anschließend werden die Kristallisationsorientierung L und die Ziehachse P miteinander verglichen, um den Winkel &thgr; zu ermitteln. Der Kippmechanismus 20 wird geneigt, um dem Winkel &thgr; zu entsprechen, und es wird erneut wachsen gelassen. Ähnliche Einstellungen werden dann vorgenommen, wenn die Breite der Einkristallplatte entlang eines Endes zum anderen abnimmt.

Wenn die Einkristallplatte verdreht ist, wird das Halteelement, wie durch &agr; in der X-Y-Fläche (einer Fläche, die vertikal zur Ziehachse verläuft) in 3(b) dargestellt, um die Ziehachse P (Z-Achse) gedreht, und anschließend wird wachsen gelassen.

Obwohl der Oxid-Einkristall keinen besonderen Einschränkungen unterliegt, sind dennoch folgende anzuführen, beispielsweise: Lithiumkaliumniobat (KLN), eine feste Lösung von Lithiumkaliumniobat-Lithiumkaliumtantalat (KLTN: [K3Li2-x(TayNb1-y)5+xO15+2x]), Lithiumniobat, Lithiumtantalat, feste Lösung von Lithiumniobat-Lithiumtantalat, Ba1-xSrxNb2O6, Mn-Zn-Ferrit, Yttriumaluminiumgranat, substituiert mit Nd, Er und/oder Yb, YAG und YVO4, substituiert mit Nd, Er und/oder Y.

Beispiele und Vergleichsbeispiele Vergleichsbeispiel 1

Eine Einkristallplatte aus Lithiumkaliumniobat wurde gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt, indem eine wie in 1 angeführte Einkristall-Herstellungsvorrichtung verwendet wurde. Insbesondere wurde die Temperatur des gesamten Ofens mit einer oberen Ofeneinheit 1 und einer unteren Ofeneinheit 3 gesteuert. Der Temperaturgradient in der Nähe des Einkristall-Wachstumsabschnitts 35 wurde gesteuert, indem einem Düsenabschnitt 13 Strom zugeführt und Hitze durch ein Nachheizelement 12 erzeugt wurde. Ein Mechanismus zum nach unten Ziehen von Einkristallen wurde befestigt, um die Einkristallplatte in vertikaler Richtung herunterzuziehen, während die Ziehgeschwindigkeit gleichmäßig im Bereich von 2 bis 100 mm/h gehalten wurde.

Ein Rohmaterial zum Starten des Wachstums wurde hergestellt, indem Kaliumcarbonat, Lithiumcarbonat und Niobatoxid in einem Molverhältnis von 30:25:45 vermischt wurden. Etwa 10 g dieses wachstumseinleitenden Rohmaterials wurden in einen Platinschmelztiegel 7 gefüllt und an einer vorbestimmten Stelle platziert. Die Temperatur des Raums 5 in der oberen Ofeneinheit 1 wurde auf den Bereich 1.100 bis 1.200° eingestellt, und das Material wurde im Schmelztiegel geschmolzen. Die Temperatur des Raums 6 in der unteren Ofeneinheit 3 wurde einheitlich im Bereich von 500 bis 1.000° gehalten. Dem Schmelztiegel 7, dem Düsenabschnitt 13 und dem Nachheizelement 12 wurden bestimmte Strommengen zugeführt, wodurch der Einkristall wuchs. Zu diesem Zeitpunkt konnte die Temperatur des Einkristall-Wachstumsabschnitts auf 980 bis 1.150° und der Temperaturgradient im Einkristall-Wachstumsabschnitt auf 10 bis 150°/mm eingestellt werden. Beim Wachsen des Einkristalls wurde ein weiteres Rohmaterialpulver aus einem externen nicht angeführten Rohmaterialzuführer kontinuierlich zum Schmelztiegel zugeführt. Als Rohmaterialpulver wurde eines verwendet, das durch Vermischen von Kaliumcarbonat, Lithiumcarbonat und Nioboxid in einem Molverhältnis von 30:19:51 hergestellt wurde.

Als Düsenabschnitt 13 wurde ein planarer Düsenabschnitt aus Platin verwendet. Die Maße des Querschnitts der Innenfläche des Düsenabschnitts betrugen 1 mm × 50 mm mit einer Länge von 10 mm. Die Konfiguration des Schmelztiegels wies die Form eines rechteckigen Parallelepipeds auf. Die Breite und Länge des Innenraums des Schmelztiegels betrug 10 mm bzw. 50 mm mit einer Tiefe von 10 mm. In diesem Zustand wurde eine Einkristallplatte entlang einer Richtung <110> (für das Wachstum ausgewählte Kristallisationsorientierung) mit einer Geschwindigkeit von 20 mm/h nach unten gezogen. Der Querschnitt der Einkristallplatte wies eine rechteckige Form mit 1 mm × 30 mm auf.

Als Keimkristall wurde ein planarer Einkristall aus Lithiumkaliumniobat verwendet. Der Keimkristall wies eine rechteckige Querschnittsform mit 1 mm × 30 mm auf. Die Halbwertsbreite der Röntgenstrahlen-Schwingkurve des Keimkristalls betrug 50 Sekunden (Messgerät: MRD-Diffraktometer von Philips, gemessene Reflexion: 004).

Anschließend wurde die Bodenfläche 15d des Keimkristalls 15 mit einem wie in 2 angeführten anorganischen hitzebeständigen Haftmittel an das Halteelement 17 gebunden. Es wurden lediglich ein sich horizontal bewegender Mechanismus 25 und ein Anpasstisch 24 unter einem Spannfutter 18 angebracht.

In der Folge wurde eine Einkristallplatte mit einer Länge von 100 mm wachsen gelassen. Diese Einkristallplatte wies eine Breite von 30 mm und eine Dicke von 1,0 mm am Wachstumsbeginnpunkt sowie eine Breite von 20 mm und eine Dicke von 0,7 mm am Wachstumsendpunkt auf. Die Platte erschien unter visueller Betrachtung leicht verdreht. Aus einer Stelle dieser Einkristallplatte wurde 50 mm vom Wachstumsbeginnpunkt entfernt eine Probe herausgeschnitten und mittels Röntgenbeugung untersucht, was eine Halbwertsbreite der Röntgenstrahlen-Schwingkurve von nicht weniger als 100 Sekunden ergab.

Beispiel 1

Nachdem das Vergleichsbeispiel 1 durchgeführt worden war, wurde die Einkristallplatte von dem Keimkristall entfernt. Zu diesem Zeitpunkt war der Keimkristall 15 immer noch an das Halteelement 17 gebunden. Anschließend wurde ein Halteelement an einem Ständer 30 angebracht, wie in 2 dargestellt, ohne dabei den Keimkristall 15 aus dem Halteelement 17 zu entfernen. Dann wurde der Kippmechanismus 20 geneigt, um den Winkel zwischen einer Richtung <110> im Vergleichsbeispiel 1 und einer Ziehachse auf nicht mehr als 0,5° einzustellen. Zudem wurde der Drehmechanismus 19 um 1° in eine solche Richtung gedreht, dass die Verdrehung der Einkristallplatte aufgehoben wurde. Danach wurde auf gleiche Weise wie im Vergleichsbeispiel 1 mittels der Vorrichtung aus 1 erneut eine Einkristallplatte aus Lithiumkaliumniobat wachsen gelassen.

Als Ergebnis wurde eine Einkristallplatte in rechteckiger Form mit 1 mm × 30 mm mit einer Länge von 100 mm wachsen gelassen. Diese Einkristallplatte wies eine Breite von 30 mm und eine Dicke von 1,0 mm beim Wachstumsbeginnpunkt sowie eine Breite von 30 mm und eine Dicke von 1,0 mm am Wachstumsendpunkt auf. Die Platte wies keine sichtbaren Verdrehungen auf. Aus einer Stelle dieser Einkristallplatte wurde 50 mm vom Wachstumsbeginnpunkt entfernt eine Probe herausgeschnitten und mittels Röntgenbeugung untersucht, was eine Halbwertsbreite der Röntgenstrahlen-Schwingkurve von 40 Sekunden ergab.

Vergleichsbeispiel 2

Als Nächstes wurde eine Einkristallplatte aus Lithiumkaliumniobat wachsen gelassen, während ein faseriger Einkristall aus Lithiumkaliumniobat als Keimkristall verwendet wurde. Der Keimkristall wies eine quadratische Querschnittsform von 1 mm × 1 mm auf. Die Längsrichtung der Faser wurde in eine <110>-Richtung gerichtet, die mit der Kristallisierungsorientierung zum Kristallwachstum übereinstimmte. Die Halbwertsbreite der Röntgenstrahlen-Schwenkkurve des Keimkristalls ergab 80 Sekunden.

Eine Einkristallherstellungsvorrichtung wurde gleich wie im Vergleichsbeispiel 1 hergestellt, und eine Einkristallplatte wurde wachsen gelassen. Die Geschwindigkeit zum Herunterziehen des Keimkristalls betrug 20 mm/h. Die Breite und Dicke des wachsenden Einkristalls betrugen beim Wachstumsbeginnpunkt gleich viel wie jene des Keimkristalls, nämlich 1 mm × 1 mm. Als der Keimkristall heruntergezogen wurde, schritt das Wachstum des Einkristalls voran, sodass die Breite des Einkristalls langsam stieg, um einen Schulterabschnitt zu bilden. Wenn der Kristall eine Breite von etwa 15 mm erreichte, wurde die positionelle Abweichung zwischen dem Ende des Kristalls und dem Boden des Düsenabschnitts größer, was zu Verdrehungen führte. Als Ergebnis war es schwierig, die Breite weiter zu erhöhen. Wenn der Kristall in diesem Zustand kontinuierlich auf eine Länge von 100 mm wachsen gelassen wurde, betrug die Breite des Kristalls 10 mm und die Dicke 0,7 mm beim Wachstumsendpunkt. In der gesamten Einkristallplatte kam es zu sichtbaren Verdrehungen. Aus einer Stelle dieser Einkristallplatte wurde 50 mm vom Wachstumsbeginnpunkt entfernt eine Probe herausgeschnitten und mittels Röntgenbeugung untersucht, was eine Halbwertsbreite der Röntgenstrahlen-Schwingkurve von nicht weniger als 100 Sekunden ergab.

Beispiel 2

Nachdem das Vergleichsbeispiel 2 durchgeführt worden war, wurde die Einkristallplatte von dem Keimkristall entfernt. Zu diesem Zeitpunkt war der Keimkristall 15 immer noch an das Halteelement 17 gebunden. Anschließend wurde ein Halteelement an einem Ständer 30 angebracht, wie in 2 dargestellt, ohne dabei den Keimkristall 15 aus dem Halteelement 17 zu entfernen. Dann wurde der Kippmechanismus 20 geneigt, um den Winkel zwischen einer Richtung <110> im Vergleichsbeispiel 2 und einer Ziehachse auf nicht mehr als 0,5° einzustellen. Zudem wurde der Drehmechanismus 19 um 1° in eine solche Richtung gedreht, dass die Verdrehung der Einkristallplatte aufgehoben wurde. Danach wurde auf gleiche Weise wie im Vergleichsbeispiel 2 mittels der Vorrichtung aus 1 erneut eine Einkristallplatte aus Lithiumkaliumniobat wachsen gelassen.

In Beispiel 2 stieg die Breite des Kristalls am Schulterabschnitt an, ohne verdreht zu werden, und betrug schließlich 30 mm. In diesem Zustand wurde der Kristall kontinuierlich auf eine Länge von 100 mm wachsen gelassen und wies zu diesem Zeitpunkt eine Breite von 30 mm und eine Dicke von 1,0 mm auf. Die Platte wies keine sichtbaren Verdrehungen auf. Aus einer Stelle dieser Einkristallplatte wurde 50 mm vom Wachstumsbeginnpunkt entfernt eine Probe herausgeschnitten und mittels Röntgenbeugung untersucht, was eine Halbwertsbreite der Röntgenstrahlen-Schwingkurve von 40 Sekunden ergab.

Wie oben erläutert, kann die Verschlechterung der Kristallinität des Einkristalls, die einem Anstieg der Wachstumslänge des Einkristalls folgen würde, verhindert werden, wenn gemäß der vorliegenden Erfindung das Rohmaterial des Oxid-Einkristalls im Schmelztiegel geschmolzen wird, der Keimkristall mit der resultierenden Schmelze in Berührung gebracht wird und der Oxid-Einkristall wachsen gelassen wird, während die Schmelze durch die Öffnung des Schmelztiegels in vorbestimmter Richtung heruntergezogen wird.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung eines Oxid-Einkristalls (14), umfassend die folgenden Schritte:

das Schmelzen eines Rohmaterials für einen Einkristall eines Oxids in einem Schmelztiegel (7), das In-Berührung-Bringen des Keimkristalls (15) mit der erhaltenen Schmelze, das Wachsenlassen des Oxid-Einkristalls (14) durch Ziehen der Schmelze nach unten durch eine Öffnung des Schmelztiegels entlang einer bestimmten nach unten verlaufenden Ziehachse und das Festhalten des Keimkristalls, worin der Keimkristall (15) eine polygonale Querschnittsform aufweist und der Schmelztiegel über eine Düse (13) verfügt, deren Boden eine Form aufweist, die mit der polygonalen Querschnittsform des Keimkristalls identisch oder dieser ähnlich ist,

gekennzeichnet durch das darauf folgende Verkleinern des Winkels einer bestimmten Kristallorientierung des Keimkristalls, der zum Wachsenlassen des Einkristalls ausgewählt wurde, in Bezug auf die Ziehachse und das nach dem Festhalten des Keimkristalls ausgeführte Drehen des Keimkristalls um die Ziehachse, wodurch Winkel, die von einer Vielzahl an Paaren aus den Seiten der polygonalen Querschnittsform des Keimkristalls und den entsprechenden der polygonalen Form des Bodens der Düse definiert sind, jeweils verkleinert werden.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, worin der Winkel der Kristallorientierung zur Ziehachse so geregelt wird, dass er nicht mehr als 0,5° beträgt. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin jeder der Winkel, die jeweils von der Vielzahl an Paaren aus den Seiten der polygonalen Querschnittsform des Keimkristalls und den entsprechenden der polygonalen Form des Bodens der Düse definiert sind, auf nicht mehr als 0,5° verkleinert wird. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin sowohl der Keimkristall (15) als auch der Boden der Düse eine rechteckige Form aufweist. Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls eines Oxids, umfassend einen Schmelztiegel (7) zum Schmelzen des Rohmaterials des Oxid-Einkristalls und einen Ständer (30) zum Halten eines Keimkristalls, worin der Ständer ein Halteelement (17) zum Festhalten des Keimkristalls umfasst, worin der Schmelztiegel einen Düsenabschnitt (13) umfasst und in einem Bodenabschnitt (13a) des Düsenabschnitts eine Öffnung bereitgestellt ist, wobei die Vorrichtung einen Kippmechanismus (20) umfasst, der an der Unterseite des Halteelements angebracht und ausgebildet ist, um den Winkel des Halteelements zu einer gegebenen Ziehachse zu neigen, worin bei der Verwendung ein Rohmaterial des Oxid-Einkristalls im Schmelztiegel geschmolzen wird, der Keimkristall mit der erhaltenen Schmelze in Berührung gebracht wird, der Oxid-Einkristall durch das Ziehen der Schmelze nach unten durch die Öffnung des Schmelztiegels hindurch wachsen gelassen wird und der Winkel des Halteelements zur nach unten verlaufenden Ziehrichtung verkleinert wird, und worin der Ständer zudem einen Drehmechanismus (19) zum Drehen des Halteelements um die Ziehachse sowie einen Horizontalbewegungsmechanismus (25) zum Bewegen des Halteelements entlang einer senkrecht zur Ziehachse stehenden Ebene umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 5, worin der Boden (13a) des Düsenabschnitts von polygonaler Form ist. Vorrichtung nach Anspruch 6, worin der Boden (13a) des Düsenabschnitts von rechteckiger Form ist.






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