AT524311B1

AT524311B1 - Vorrichtung zum Züchten eines künstlich hergestellten Saphir-Kristalls

Info

Publication number: AT524311B1
Application number: ATA51152/2020A
Authority: AT
Inventors: Barbar Ghassan; Ebner Mag Robert; Kwan Park Jong; Sen Gourav
Original assignee: Fametec Gmbh
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2022-05-15
Also published as: AT524311A4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zum Züchten eines künstlich hergestellten Saphir-Kristalls. Die Vorrichtung (1) umfasst eine Tiegelwand (4) mit einem offenen ersten Endbereich (5) und einem in Richtung einer Längsachse (7) davon beabstandet angeordneten bodenseitigen zweiten Endbereich (6) und einen Tiegelboden (12). Der Tiegelboden (12) ist zu seinem überwiegenden Anteil, insbesondere vollständig, ausschließlich aus einer Platte (13) aus einem bereits künstlich hergestellten Saphir-Kristall gebildet, wobei die Platte (13) einen Keimkristall für den herzustellenden Saphir-Kristall bildet.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Züchten eines oder mehrerer künstlich hergestellter Saphir-Kristalle.

[0002] Die EP 3 260 582 A1 beschreibt eine Vorrichtung für die Herstellung eines Kristalls in einem Tiegel, der von einer aus einem Graphit-Filz gebildeten Isolierschicht umgeben ist. Der Tiegel ist topfförmig mit einer umlaufenden Tiegelwand und einem einstückig damit verbundenen Tiegelboden ausgebildet. Die Tiegelwand und der Tiegelboden umgrenzen gemeinsam den Aufnahmeraum zur Bildung des Siliciumcarbid-Kristalls, wobei an der Oberseite der Aufnahmeraum des Tiegels von einem Deckel abgedeckt ist. Der Tiegel samt dem Isoliermaterial ist in ein Doppelquarzrohr eingesetzt und lagert auf einem Graphittragstab auf. Der Innenraum des Doppelquarzrohrs ist weiters auf einen gegenüber dem Atmosphärendruck dazu geringeren Druck abgesenkt. Mittels einer um das Doppelquarzrohr herum angeordneten Heizvorrichtung wird der Tiegel und dessen Aufnahmeraum für die Herstellung der Kristalle erhitzt. Es konnte dabei keine Überwachung und Kontrolle des aufgeschmolzenen Basismaterials und der Verfestigungsvorgang zum Kristall durchgeführt werden. Weiters waren das Hantieren und die Entnahme des im Aufnahmeraum künstlich hergestellten Siliciumcarbid-Kristalls schwierig.

[0003] Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels derer der Herstellvorgang des Saphir-Kristalls, insbesondere eines Saphir-Einkristalls, von der Bildung der Schmelze und dem nachfolgenden Kristallisationsvorgang einfach und sicher überwacht werden kann. Weiters soll auch eine einfachere Entformung des Saphir-Kristalls ermöglicht werden.

[0004] Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Ansprüchen gelöst.

[0005] Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum Züchten eines künstlich hergestellten Saphir-Kristalls bzw. ist diese dazu ausgebildet. Bevorzugt soll damit ein Saphir-Einkristall hergestellt bzw. ausgebildet werden. Die Vorrichtung umfasst

- eine Tiegelwand, welche Tiegelwand einen offenen ersten Endbereich und einen in Richtung einer Längsachse davon beabstandet angeordneten bodenseitigen zweiten Endbereich aufweist, wobei von der Tiegelwand im Querschnitt bezüglich der Längsachse gesehen eine Tiegelwand-Innenfläche und in einer Tiegelwanddicke davon beabstandet eine Tiegelwand-Außenfläche definiert ist,

- einen Tiegelboden, welcher Tiegelboden im bodenseitigen zweiten Endbereich angeordnet ist, und

- wobei von der Tiegelwand und dem Tiegelboden ein Aufnahmeraum zur Bildung des Kristalls „K“ definiert ist, wobei weiters noch vorgesehen ist,

- dass der Tiegelboden zu seinem überwiegenden Anteil, insbesondere vollständig, ausschließlich aus einer Platte aus einem bereits künstlich hergestellten Saphir-Kristall „K“ gebildet ist, und

- dass die den Tiegelboden bildende Platte einen Keimkristall für den herzustellenden Saphir-Kristall „K“ bildet.

[0006] Der dadurch erzielte Vorteil liegt darin, dass der Aufnahmeraum durch die Tiegelwand und bodenseitig nur durch die den Tiegelboden bildende Platte aus einem bereits zuvor künstlich hergestellten Saphir-Kristall gebildet ist, wird eine Durchblicksmöglichkeit durch die Platte hindurch in den Aufnahmeraum geschaffen. Es sind nur Halteelemente oder es ist nur eine Abstützvorrichtung vorzusehen, auf welchen oder auf welcher die Platte und/oder die Tiegelwand in vertikaler Richtung abzustützen sind oder ist. Die Halteelemente oder die Abstützvorrichtung sind derart auszubilden oder anzuordnen, dass die den Tiegelboden bildende Platte nicht vollständig abgedeckt ist und ein überwiegender Flächenanteil frei und unabgedeckt bleibt. Durch das Vorsehen der Tiegelwand in Verbindung mit der einen Teilabschnitt des hergestellten Saphir-Kristalls bildenden Platte als Keimkristall, wird auch die Entformung des hergestellten Saphir-Kristalls aus der Tiegelwand erleichtert, da kein fixer Tiegelboden als weiterer Bestandteil der Tiegelwand vor-

gesehen ist.

[0007] Weiters kann es vorteilhaft sein, wenn der offene erste Endbereich der Tiegelwand von einem Tiegeldeckel abgedeckt ist. Damit kann bei Bedarf der Aufnahmeraum an seiner Oberseite abgedeckt werden.

[0008] Eine andere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Tiegelwand und/oder der Tiegeldeckel aus einem Material gebildet ist, welches aus der Gruppe von Iridium (Ir), Wolfram (W), Molybdän (Mo) ausgewählt ist.

[0009] Eine weitere mögliche Ausführungsform hat die Merkmale, dass die den Tiegelboden bildende Platte eine Plattenstärke aufweist, welche aus einem Plattenstärke-Wertebereich stammt, dessen untere Grenze 0,5 mm, insbesondere 1 mm, und dessen obere Grenze 5 mm, insbesondere 2 mm, beträgt. Durch die Wahl der Plattenstärke kann so die Tragfähigkeit der Platte an die unterschiedlichsten Einsatzbedingungen und Massenverhältnisse beim Herstellungsprozess des Saphir-Kristalls angepasst werden.

[0010] Eine weitere Ausbildung sieht vor, dass die Tiegelwand bei lotrechter Ausrichtung von deren Längsachse mit ihrem bodenseitigen zweiten Endbereich auf der den Tiegelboden bildenden Platte aus dem künstlich hergestellten Saphir-Kristall „K“ auflagernd abgestützt ist. Damit kann auf passgenaue Zuschnitte bei der Bildung der Platte verzichtet werden, denn ist lediglich ein gewisser radialer Uberstand der Platte über die Tiegelwand-Innenfläche auf die von der Längsachse abgewendete Seite vorzusehen, um eine über den Umfang durchlaufende Abstützung der Tiegelwand auf der Platte zu erzielen.

[0011] Eine andere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die den Tiegelboden bildenden Platte eine Außenabmessung aufweist welche maximal einer von der Tiegelwand-AuBenfläche definierten Querschnittsabmessung entspricht. Damit kann Material zur Bildung der Platte eingespart werden und ein UÜberragen über die Tiegelwand hinaus verhindert werden.

[0012] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Halteansätze vorgesehen sind, welche Halteansätze die Tiegelwand-Innenfläche in Richtung auf die Längsachse überragen und im bodenseitigen zweiten Endbereich der Tiegelwand angeordnet sind sowie über den Umfang der Tiegelwand-Innenfläche verteilt angeordnet sind. Damit kann die Platte innerhalb des Aufnahmeraums vor dem Befüllen desselben mit dem Basismaterial bezüglich der Tiegelwand positioniert angeordnet und gehalten werden. Auf zusätzliche Abstützmittel kann damit verzichtet werden. Es ist lediglich die Platte in ihrer Außenabmessung bzw. deren Querschnittsform an jene des Aufnahmeraums anzupassen.

[0013] Weiters kann es vorteilhaft sein, wenn die Halteansätze einen integralen Bestandteil der Tiegelwand bilden. Damit kann eine einstückige und zusammengehörige Baugruppe der Vorrichtung geschaffen werden.

[0014] Eine andere alternative Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die den Tiegelboden bildende Platte eine Außenabmessung aufweist welche maximal einer von der Tiegelwand-Innenfläche definierten Querschnittsabmessung entspricht und die Platte bodenseitig In den Aufnahmeraum eingesetzt ist. Damit weist der gesamte hergestellte Saphir-Kristall in seiner Längserstreckung die nahezu bis gleiche Außenabmessung auf.

[0015] Eine weitere mögliche und gegebenenfalls alternative Ausführungsform hat die Merkmale, dass die den Tiegelboden bildende Platte mit ihrer äußeren Umfangs-Stirnfläche durchgängig dichtend an der Tiegelwand-Innenfläche anliegt. Damit kann ein unbeabsichtigtes Austreten der Schmelze aus dem Aufnahmeraum verhindert werden.

[0016] Eine weitere Ausbildung sieht vor, dass die den Tiegelboden bildende Platte auf den Halteansätzen auf jeweils deren dem offenen ersten Endbereich zugewendeten Seite auflagernd abgestützt ist. So kann eine sichere Abstützung bei gleichzeitiger positionierter Anordnung in Richtung der Längsachse geschaffen werden.

[0017] Eine andere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Tiegelwand mit ihrem bodenseitigen zweiten Endbereich auf zumindest einem Stützelement auflagernd abgestützt ist.

Damit kann eine Abstützung und Halterung der den Tiegel bildenden Vorrichtung geschaffen werden.

[0018] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Stützvorrichtung vorgesehen ist und die Tiegelwand und die den Tiegelboden bildende Platte gemeinsam auf der Stützvorrichtung auflagernd abgestützt sind und dass die Stützvorrichtung zumindest eine die Stützvorrichtung in Richtung der Längsachse durchdringende Durchsetzung aufweist. Damit wird die Möglichkeit geschaffen, die den Tiegelboden bildende Platte im Aufnahmeraum anzuordnen und trotzdem eine Abstützung des gebildeten Tiegels zu erzielen und darüber hinaus eine Einblicksmöglichkeit ausgehend vom Tiegelboden in den Aufnahmeraum nicht zu unterbinden. Bei Wegnahme der Stützvorrichtung kann die Entnahme oder die Entformung des hergestellten Saphir-Kristalls sehr einfach durchgeführt werden, da ein beidseitiger Zugang zum Aufnahmeraum möglich ist.

[0019] Weiters kann es vorteilhaft sein, wenn auf der vom Aufnahmeraum abgewendeten Seite der den Tiegelboden bildenden Platte zumindest ein Sensor angeordnet ist. Damit können Messungen direkt im Aufnahmeraum ermöglicht werden. So kann z.B. die Qualität des hergestellten Saphir-Kristalls laufend überwacht werden. Es kann aber auch die Lage und damit verbunden die Höhe des bereits hergestellten Saphir-Kristalls im Bereich Trennschicht hin zur noch vorhandenen Schmelze ermittelt werden. Dies wäre von der Oberseite her durch das noch nicht aufgeschmolzene Basismaterial hindurch nicht möglich.

[0020] Die Aufgabe der Erfindung wird aber unabhängig davon auch durch ein Verfahren zum Züchten eines Kristalls, insbesondere eines künstlich hergestellten Saphir-Kristalls, gelöst. Zur Durchführung des Verfahrens kann die beschriebene Vorrichtung Anwendung finden bzw. dazu eingesetzt werden. Bei dem Verfahren werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt:

- Bereitstellen einer Tiegelwand, welche Tiegelwand einen offenen ersten Endbereich und einen in Richtung einer Längsachse davon beabstandet angeordneten bodenseitigen zweiten Endbereich aufweist, wobei von der Tiegelwand im Querschnitt bezüglich der Längsachse gesehen eine Tiegelwand-Innenfläche und in einer Tiegelwanddicke davon beabstandet eine Tiegelwand-Außenfläche definiert wird,

- Bereitstellen eines Tiegelbodens, welcher Tiegelboden im bodenseitigen zweiten Endbereich angeordnet wird,

- wobei von der Tiegelwand und dem Tiegelboden ein Aufnahmeraum zur Bildung des Saphir-Kristalls „K“ definiert wird, und

- Bereitstellen eines Basismaterials zur Bildung des Kristalls „K“ und Einbringen desselben in den Aufnahmeraum, wobei das Basismaterial anschließend aufgeschmolzen und nachfolgend die Schmelze zu deren Verfestigung und Bildung des Kristalls „K“ abgekühlt wird, wobei weiters noch vorgesehen ist,

- dass der Tiegelboden zu seinem überwiegenden Anteil, insbesondere vollständig, ausschließlich aus einer Platte aus einem bereits künstlich hergestellten Saphir-Kristall „K“ gebildet wird, und

- dass von der den Tiegelboden bildenden Platte ein Keimkristall für den herzustellenden Saphir-Kristall „K“ gebildet wird.

[0021] Vorteilhaft ist bei den hier gewählten Verfahrensschritten, dass der Aufnahmeraum durch die Tiegelwand und bodenseitig nur durch die den Tiegelboden bildende Platte aus einem bereits zuvor künstlich hergestellten Saphir-Kristall gebildet wird. Damit wird eine Durchblicksmöglichkeit durch die Platte hindurch in den Aufnahmeraum geschaffen, da ein Großteil der gesamten Bodenfläche von keinen zusätzlichen Tiegelteilen abgedeckt ist. Es sind nur Halteelemente oder es ist nur eine Abstützvorrichtung vorzusehen, auf welchen oder auf welcher die Platte und/oder die Tiegelwand in vertikaler Richtung abzustützen sind oder ist. Die Halteelemente oder die Abstützvorrichtung sind derart auszubilden oder anzuordnen, dass die den Tiegelboden bildende Platte nicht vollständig abgedeckt ist und ein überwiegender Flächenanteil frei bleibt. Durch das Vorsehen der Tiegelwand in Verbindung mit der einen Teilabschnitt des hergestellten Saphir-Kristalls bildenden Platte als Keimkristall, wird auch die Entformung des hergestellten Saphir-Kristalls aus der Tiegelwand erleichtert, da kein fixer Tiegelboden als weiterer Bestandteil der Tiegelwand vor-

gesehen wird.

[0022] Weiters ist ein Vorgehen vorteilhaft, bei dem zumindest ein Sensor bereitgestellt wird und der zumindest eine Sensor auf der vom Aufnahmeraum abgewendeten Seite der den Tiegelboden bildenden Platte angeordnet wird und vom Sensor durch die den Tiegelboden bildenden Platte hindurch die relative Lage der Grenzschicht zwischen dem erstarrten Saphir-Kristall „K“ und der Schmelze „S“ ermittelt wird. Damit können Messungen direkt im Aufnahmeraum ermöglicht werden. So kann z.B. die Qualität des hergestellten Saphir-Kristalls laufend überwacht werden. Es kann aber auch die Lage und damit verbunden die Höhe des bereits hergestellten SaphirKristalls im Bereich Trennschicht hin zur noch vorhandenen Schmelze ermittelt werden. Dies wäre von der Oberseite her durch das noch nicht aufgeschmolzene Basismaterial hindurch nicht möglich.

[0023] Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

[0024] Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung:

[0025] Fig. 1 ein erstes mögliches Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Züchten eines künstlich hergestellten Saphir-Kristalls, in Ansicht geschnitten;

[0026] Fig. 2 eine zweite mögliche Ausbildung einer Vorrichtung zum Züchten eines künstlich hergestellten Saphir-Kristalls, in Ansicht geschnitten;

[0027] Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Züchten eines künstlich hergestellten Saphir-Kristalls, in Ansicht geschnitten.

[0028] Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.

[0029] Der Begriff „insbesondere“ wird nachfolgend so verstanden, dass es sich dabei um eine mögliche speziellere Ausbildung oder nähere Spezifizierung eines Gegenstands oder eines Verfahrensschritts handeln kann, aber nicht unbedingt eine zwingende, bevorzugte Ausführungsform desselben oder eine zwingende Vorgehensweise darstellen muss.

[0030] In ihrer vorliegenden Verwendung sollen die Begriffe „umfassend”, „weist auf“, „aufweisend“, „schließt ein“, „einschließlich“, „enthält“, „enthaltend“ und jegliche Variationen dieser eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken.

[0031] Als weiterer Begriff kann auch noch „wahlweise“ verwendet werden. Darunter wird verstanden, dass dieser Verfahrensschritt oder diese Anlagenkomponente grundsätzlich vorhanden ist, jedoch je nach Einsatzbedingungen eingesetzt werden kann, dies jedoch nicht zwingend erfolgen muss.

[0032] In der Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 gezeigt, welche zum Züchten eines Kristalls, insbesondere eines künstlich hergestellten Saphir-Kristalls, dient bzw. dazu ausgebildet ist. Saphir hat die chemische Formel Al;‚Os und kommt in der Natur vor und wird unter anderem als Schmuckstein oder dergleichen verwendet.

[0033] Die synthetische oder künstliche Herstellung erfolgt ausgehend von einem sogenannten Basismaterial 2, welches eine stückige, körnige bis hin zu einer pulverförmigen Struktur aufweisen kann. Es können auch größere Stücke zur Erreichung einer besseren Fülldichte verwendet werden. Das Basismaterial 2 wird in eine allgemein als Tiegel 3 bezeichnete Aufnahmevorrichtung oder Aufnahmegefäß eingebracht und dort mittels Wärmezufuhr in bekannter Weise aufgeschmolzen.

[0034] An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Vorrichtung 1 gemäß allen Ausführungsbeispie

len auch mehrere Tiegel 3 umfassen kann, sodass auch mehrere Kristalle gleichzeitig gezüchtet werden können.

[0035] Die Schmelze, welche nachfolgend mit dem Buchstaben „S“ bezeichnet wird, wird abgekühlt und dabei erfolgt die Erstarrung und Bildung des Kristalls „K“. Bei einem derartigen Kristall „K“ handelt es sich bevorzugt um eine Einkristall-Form von Aluminiumoxid (Al,‚Os). Der synthetisch hergestellte Saphir-Kristall „K“ weist einen Härtewert von 9 auf der Mohs-Skala auf. Darüber hinaus weisen daraus hergestellte Produkte, wie z.B. Wafer, Uhrgläser, Gehäuse, Leuchtdioden oder dergleichen, eine hohe Kratzfestigkeit auf. Bevorzugt werden Kristalle „K“ mit glasklaren Eigenschaften oder aber auch je nach Zusatzstoff mit farbigem Aussehen gebildet.

[0036] Die Vorrichtung 1 umfasst eine Tiegelwand 4, welche ihrerseits einen ersten Endbereich 5 und einen davon beabstandet angeordneten zweiten Endbereich 6 aufweist. Zwischen den beiden Endbereichen 5 und 6 erstreckt sich eine Längsachse 7. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der erste Endbereich 5 offen ausgebildet. Der zweite Endbereich 6 bildet bei lotrechter Ausrichtung der Längsachse 7 den bodenseitigen Endabschnitt aus und ist gänzlich offen oder zu einem überwiegenden Anteil offen ausgebildet. Die Tiegelwand 4 ist grundsätzlich rohrförmig ausgebildet und kann die unterschiedlichsten Querschnittformen bezüglich der Längsachse 7 aufweisen. Die Querschnittsform hängt vom Querschnitt des herzustellenden Kristalls „K“ ab. So kann der Innenquerschnitt z.B. rund, oval oder mehreckig ausgebildet sein. Der mehreckige Querschnitt kann z.B. von einem Quadrat, einem Rechteck, einem Fünfeck, Sechseck, Achteck oder dergleichen gebildet sein.

[0037] Die Tiegelwand 4 definiert ihrerseits eine Tiegelwand-Innenfläche 8 und eine TiegelwandAußenfläche 9, wobei in radialer Richtung gesehen von den beiden Tiegelwand-Flächen 8 und 9 eine Tiegelwanddicke 10 festgelegt wird.

[0038] Zur Bildung eines Aufnahmeraums 11 ist die Tiegelwand 4 bodenseitig in ihrem zweiten Endbereich 6 mit einem Tiegelboden 12 verschlossen auszubilden. Damit definieren die Tiegelwand 4 und der Tiegelboden 12 den Aufnahmeraum 11.

[0039] Es ist bei diesem Ausführungsbeispiel und auch bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgesehen, dass der Tiegelboden 12 selbst zu seinem überwiegenden Anteil ausschließlich aus einer Platte 13 aus einem bereits zuvor künstlich hergestellten Saphir-Kristall „K“ gebildet ist oder wird. Bevorzugt ist jedoch der gesamte Tiegelboden 12 ausschließlich von der Platte 13 aus dem bereits zuvor künstlich hergestellten Saphir-Kristall „K“ gebildet. Damit wird von der den Tiegelboden 12 bildenden Platte 13 ein Keimkristall für den herzustellenden SaphirKristall „K“ gebildet. Es wurde jeweils die Trennlinie zwischen der Platte 13 und dem bereits neu hergestellten Saphir-Kristall „K“ mit einer strichlierten Linie dargestellt, da am Beginn des Aufschmelzvorgangs des Basismaterials 2 und der Bildung der Schmelze „S“ die dem Aufnahmeraum 11 zugewendete Oberfläche der Platte 13 zumindest teilweise oder gänzlich aufgeschmolzen wird und bei fortschreitender Abkühlung und Kristallisation ein zusammengehöriger einstückiger Saphir-Kristall „K“ ausgebildet wird.

[0040] Die den Tiegelboden 12 bildende Platte 13 kann eine Plattenstärke mindestens 1 mm bis zu mehreren mm 14 aufweisen, welche aus einem Plattenstärke-Wertebereich stammt, dessen untere Grenze 0,5mm mm, insbesondere 1 mm, und dessen obere Grenze 5 mm, insbesondere 2 mm, beträgt.

[0041] Weiters kann der offene erste Endbereich 5 der Tiegelwand 4 von einem Tiegeldeckel 15 abgedeckt sein. Als möglicher Werkstoff zur Bildung der Tiegelwand 4 und/oder des Tiegeldeckels 15 kann ein Material aus der Gruppe von Iridium (Ir), Wolfram (W), Molybdän (Mo) ausgewählt werden.

[0042] Da zumeist der Saphir-Kristall „K“ und auch die den Tiegelboden 12 bildenden Platte 13 glasklar bis durchsichtig ausgebildet sind oder werden, besteht die Möglichkeit durch die Platte 13 hindurch die unterschiedlichsten Messungen in den Aufnahmeraum 11 hinein durchzuführen. Dazu ist je nach durchzuführender Messung zumindest ein Sensor 16 vorzusehen. Der zumindest eine Sensor 16 wird auf der vom Aufnahmeraum 11 abgewendeten Seite der den Tiegelboden

12 bildenden Platte 13 angeordnet und ist vereinfacht angedeutet. Der Sensor 16 kann mit einer Steuerungsvorrichtung 17 in Kommunikationsverbindung stehen und den oder die ermittelten Messwerte an diese übertragen.

[0043] Der Sensor 16 kann z.B. dafür ausgebildet sein, die relative Lage einer Grenzschicht 18 zwischen dem erstarrten Saphir-Kristall „K“ und der sich noch oberhalb befindlichen Schmelze „S“ aus dem Basismaterial 2 zu ermitteln. Die vom Sensor 16 ausgesendeten Messstrahlen sind in strichlierten Linien bis hin zur Grenzschicht 18 angedeutet bzw. dargestellt. Es wäre aber auch noch möglich, die Lage der Schmelze-Oberfläche innerhalb des Aufnahmeraums 11 mittels dieses Sensors 16 und/oder aber einem weiteren nicht näher dargestellten Sensor zu ermitteln. Die an der Schmelzeoberfläche endenden Messstrahlen sind bei diesem Ausführungsbeispiel und auch den nachfolgend noch beschriebenen Ausführungsbeispielen jeweils mit strich-punktierten Linien angedeutet. Es wäre aber auch möglich, mit dem gleichen Sensor 16 und der ermittelten unterschiedlichen Laufdauer der Messstrahlen bis hin zur Grenzschicht 18 zwischen dem erstarrten Saphir-Kristall „K“ und der sich noch oberhalb befindlichen Schmelze „S“ oder bis hin zu der Schmelzeoberfläche die jeweilige Lage oder Höhenposition zu eruieren.

[0044] Bei einem Sensor 16, welcher auch als Detektor, Fühler, Messfühler oder Aufnehmer bezeichnet werden kann, handelt es sich um ein technisches Bauteil, das bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften und/oder die stoffliche Beschaffenheit seiner Umgebung qualitativ oder als Messgröße quantitativ erfassen kann. Diese Größen werden mittels physikalischer, chemischer oder biologischer Effekte erfasst und in ein weiterverarbeitbares elektrisches Signal umgeformt und gegebenenfalls an die Steuerungsvorrichtung 17 übertragen. Mittels der Steuerungsvorrichtung 17 kann die Anlage mit der Vorrichtung 1 und der Verfahrensablauf geregelt und gesteuert werden.

[0045] Weiters ist noch gezeigt, dass die Tiegelwand 4 bei lotrechter Ausrichtung von deren Längsachse 7 mit ihrem bodenseitigen zweiten Endbereich 6 - nämlich mit deren bodenseitigen Tiegel-Stirnfläche - auf der den Tiegelboden 12 bildenden Platte 13 aus dem bereits zuvor künstlich hergestellten Saphir-Kristall „K“ auflagernd abgestützt sein kann. Die Außenabmessung der Platte 13 ist somit größer auszubilden als die von der Tiegelwand-Innenfläche 8 definierte lichte Innenabmessung. So kann z.B. die den Tiegelboden 12 bildende Platte 13 eine Außenabmessung 19 aufweisen, welche maximal einer von der Tiegelwand-Außenfläche 9 definierten Querschnittsabmessung entspricht. Damit kann ein radiales Uberragen der Platte über die Außenabmessung der Tiegelwand 4 hinaus verhindert werden. Um die Entformung und eine mögliche Abstützung der Tiegelwand 4 in ihrem bodenseitigen zweiten Endbereich 6 zu ermöglichen, kann, wie in strichlierten Linien angedeutet, die Außenabmessung 19 der Platte 13 kleiner gewählt werden als die von der Tiegelwand-Außenfläche 9 definierte äußere Querschnittsabmessung.

[0046] Die Tiegelwand 4 kann weiters mittels der Platte 13 auf einer nicht näher bezeichneten Stützvorrichtung abgestützt werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Stützvorrichtung von einzelnen, bevorzugt über den Umfang verteilt angeordneten Stützelementen gebildet. AußBerhalb der Tiegelwand 4 ist noch vereinfacht eine Heizvorrichtung 20 schematisch angedeutet, mittels welcher das in den Aufnahmeraum 11 eingebrachte Basismaterial 2 zu einem Schmelzebad aufgeschmolzen und die Schmelze „S“ bei deren Abkühlung zu dem herzustellenden SaphirKristall „K“ auskristallisiert und verfestigt wird.

[0047] In der Fig. 2 ist eine weiteres und gegebenenfalls für sich eigenständiges Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in der vorangegangenen Fig. 1 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die detaillierte Beschreibung in der vorangegangenen Fig. 1 hingewiesen bzw. Bezug genommen.

[0048] Die Vorrichtung 1 umfasst wiederum ebenfalls die Tiegelwand 4, gegebenenfalls den Tiegeldeckel 15 und den aus der kristallinen Platte 13 gebildeten Tiegelboden 12.

[0049] Die den Tiegelboden 12 bildende Platte 13 weist hier eine Außenabmessung 19 auf, welche maximal einer von der Tiegelwand-Innenfläche 8 definierten Querschnittsabmessung ent-

spricht. Weiters ist die Platte 13 bodenseitig in den Aufnahmeraum 11 eingesetzt.

[0050] Um eine positionierte Halterung der Platte 13 relativ bezüglich der Tiegelwand 4 zu erzielen, können mehrere Halteansätze 22 vorgesehen sein. Die Halteansätze 22 überragen die Tiegelwand-Innenfläche 8 in Richtung auf die Längsachse 7 und sind bevorzugt über den Umfang der Tiegelwand-Innenfläche 8 verteilt angeordnet. Weiters können die Halteansätze 22 einen integralen Bestandteil der Tiegelwand 4 bilden und aus dem selben Werkstoff oder Material wie die Tiegelwand 4 gebildet sein. Unter dem Begriff integral wird hier verstanden, dass die Halteansätze 22 einstückig mit der Tiegelwand 4 ausgebildet sind.

[0051] Sind die Halteansätze 22 vorgesehen, ist die den Tiegelboden 12 bildende Platte 13 auf den Halteansätzen 22 auf jeweils deren dem offenen ersten Endbereich 5 zugewendeten Seite auflagernd abgestützt. Die Halteansätze 22 sind zumeist als Vorsprünge oder Ansätze ausgebildet. Es wäre aber auch noch möglich, die Halteansätze 22 durch einen über den Innenumfang durchlaufend ausgebildeten Halteflansch auszubilden.

[0052] Die Außenabmessung 19 der den Tiegelboden 12 bildenden Platte 13 kann so gewählt werden, dass diese mit ihrer äußeren Umfangs-Stirnfläche 23 durchgängig dichtend an der Tiegelwand-Innenfläche 8 anliegt. Die Platte 13 soll flüssigkeitsdicht an der Tiegelwand-Innenfläche 8 anliegen.

[0053] Es kann auch hier wiederum der zuvor beschriebene Sensor 16 vorgesehen sein. Da die Platte 13 bevorzugt vollständig in den Aufnahmeraum 11 eingesetzt ist, kann die tragende Abstützung der Tiegelwand 4 mit ihrem bodenseitigen zweiten Endbereich 6 auf zumindest einem Stützelement 24 erfolgen.

[0054] In der Fig. 3 ist eine weitere und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungsform der Vorrichtung 1 gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in den vorangegangenen Fig. 1 und 2 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die detaillierte Beschreibung in den vorangegangenen Fig. 1 und 2 hingewiesen bzw. Bezug genommen.

[0055] Die Vorrichtung 1 umfasst wiederum ebenfalls die Tiegelwand 4, gegebenenfalls den Tiegeldeckel 15 und den aus der kristallinen Platte 13 gebildeten Tiegelboden 12.

[0056] Die den Tiegelboden 12 bildende Platte 13 weist hier ebenfalls die Außenabmessung 19 auf, welche maximal einer von der Tiegelwand-Innenfläche 8 definierten Querschnittsabmessung entspricht. Weiters ist die Platte 13 bodenseitig in den Aufnahmeraum 11 eingesetzt. Die Außenabmessung 19 der den Tiegelboden 12 bildenden Platte 13 kann so gewählt werden, dass diese mit ihrer äußeren Umfangs-Stirnfläche 23 durchgängig und dichtend an der Tiegelwand-Innenfläche 8 anliegt. Die Platte 13 soll flüssigkeitsdicht an der Tiegelwand-Innenfläche 8 anliegen.

[0057] Im Gegensatz zu dem zuvor in der Fig. 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel sind hier keine Halteansätze 22 zur Positionierung der Platte 13 an der Tiegelwand 4 vorgesehen.

[0058] Es ist hier vorgesehen, dass die Tiegelwand 4 und die den Tiegelboden 12 bildende Platte 13 gemeinsam auf einer allgemein als Stützvorrichtung 25 bezeichneten Komponente der Vorrichtung 1 auflagernd abgestützt sind. Die Stützvorrichtung 25 kann durch einzelne Stützelemente oder aber auch durch eine Stützplatte gebildet sein. Je nach Ausbildung der Stützvorrichtung 25 weist diese zumindest eine die Stützvorrichtung 25 in Richtung der Längsachse 7 durchdringende Durchsetzung 26 auf. Die zumindest eine Durchsetzung 26 dient dazu, wiederum den Einblick in den Aufnahmeraum 11 von dem zuvor beschriebenen Sensor 16 zu ermöglichen. So kann die Ermittlung oder können die unterschiedlichsten Ermittlungen mit den dazu ausgebildeten Sensoren 16 durchgeführt werden.

[0059] So kann nicht nur die relative Lage der zuvor beschriebenen Grenzschicht 18 zwischen dem bereits ausgebildeten Saphir-Kristall „K“ und der Schmelze „S“ sondern oder zusätzlich dazu die Qualität und/oder Reinheit des bereits ausgebildeten Saphir-Kristall „K“ ermittelt werden. Sollte z.B. eine Fehlkristallisation und/oder eine Qualitätsabweichung festgestellt werden, kann der weitere Kristallisationsvorgang und das Aufschmelzen des Basismaterials 2 abgebrochen

werden, wodurch ein hoher Anteil an Energiekosten eingespart werden kann.

[0060] Durch die im bodenseitigen zweiten Endbereich 6 zum überwiegenden Anteil nicht verschlossene und somit ebenfalls offene Ausbildung der Tiegelwand 4 kann die Entnahme des fertig hergestellten und auskristallisierten Saphir-Kristalls „K“ entweder durch den bodenseitig offen ausgebildeten zweiten Endbereich 6 hindurch, wie in den Fig. 1 und 3 gezeigt und beschrieben, oder aber durch eine bodenseitig aufgebrachte Druckkraft (Entformungskraft) auf den fertig hergestellten und auskristallisierten Saphir-Kristall „K“ in Richtung auf den offenen ersten Endbereich 5 aus der Tiegelwand 4 heraus entformt werden.

[0061] Das Verfahren zum Züchten des künstlich hergestellten Saphir-Kristalls „K“ kann bevorzugt unter Verwendung oder Anwendung der Vorrichtung 1 mit der Tiegelwand 4 und der den Tiegelboden 12 bildenden Platte 13 aus dem kristallinen Material als Keimkristall durchgeführt werden. Es sind dabei zumindest folgende Schritte zur Durchführung des Verfahrens vorgesehen:

- Bereitstellen der Tiegelwand 4, wobei die Tiegelwand 4 den offenen ersten Endbereich 5 und den in Richtung der Längsachse 7 davon beabstandet angeordneten bodenseitigen zweiten Endbereich 6 aufweist, und von der Tiegelwand 4 im Querschnitt bezüglich der Längsachse 7 gesehen die Tiegelwand-Innenfläche 8 und in der Tiegelwanddicke 10 davon beabstandet die Tiegelwand-Außenfläche 9 definiert wird,

- Bereitstellen des Tiegelbodens 12, wobei der Tiegelboden 12 im bodenseitigen zweiten Endbereich 6 angeordnet wird,

- wobei von der Tiegelwand 4 und dem Tiegelboden 12 der Aufnahmeraum 11 zur Bildung des Saphir-Kristalls „K“ definiert wird, und

- Bereitstellen des Basismaterials 2 zur Bildung des Saphir-Kristalls „K“ und Einbringen desselben in den Aufnahmeraum 11, wobei das Basismaterial 2 anschließend aufgeschmolzen und nachfolgend die Schmelze „S“ zu deren Verfestigung und Bildung des Saphir-Kristalls „K“ abgekühlt wird, und dabei

- der Tiegelboden 12 zu seinem überwiegenden Anteil, insbesondere vollständig, ausschließlich aus der Platte 13 aus einem bereits zuvor künstlich hergestellten Saphir-Kristall „K“ gebildet wird, und weiters

- von der den Tiegelboden 12 bildenden Platte 13 ein Keimkristall für den herzustellenden Saphir-Kristall „K“ gebildet wird.

[0062] An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass auch mehrere Kristalle gleichzeitig in einem Ofen gezüchtet werden können, indem mehrere Tiegel 3 in dem Ofen angeordnet werden. So kann die Vorrichtung 1 mehrere Tiegel 3 umfassen. Werden mehrere Kristalle gleichzeitig in einem Ofen gezüchtet, so wird das hier beschriebene Verfahren für jeden Kristall durchgeführt. Die gleichzeitige Zucht mehrerer Kristalle in einem Ofen ist vor allem hinsichtlich des Energiebedarfs vorteilhaft.

[0063] Mittels des zuvor beschriebenen Sensors 16, gegebenenfalls in Kombination mit der Steuerungsvorrichtung 17, kann vom Sensor 16 durch die den Tiegelboden 12 bildenden Platte 13 hindurch z.B. die relative Lage der Grenzschicht 18 zwischen dem bereits erstarrten Saphir-Kristall „K“ und der Schmelze „S“ ermittelt werden.

[0064] Dies deshalb, da die den Keimkristall bildende Kristall-Platte zumindest durchsichtig oder durchscheinend bis hin zu glasklar ausgebildet ist. Deshalb wird ein Durchtritt von vom Sensors 16 ausgesendeten oder abgegebenen Messstrahlen durch die Platte 13 hindurch ermöglicht.

[0065] Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus Elemente teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Vorrichtung

2 Basismaterial

3 Tiegel

4 Tiegelwand

5 erster Endbereich

6 zweiter Endbereich

7 Längsachse

8 Tiegelwand-Innenfläche 9 Tiegelwand-Außenfläche 10 Tiegelwanddicke

11 Aufnahmeraum

12 Tiegelboden

13 Platte

14 Plattenstärke

15 Tiegeldeckel

16 Sensor

17 Steuerungsvorrichtung 18 Grenzschicht

19 Außenabmessung

20 Heizvorrichtung

21 Außenabmessung

22 Halteansätze

23 Umfangs-Stirnfläche 24 Stützelement

25 Stützvorrichtung

26 Durchsetzung

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung (1) zum Züchten zumindest eines künstlich hergestellten Saphir-Kristalls, umfassend - zumindest eine Tiegelwand (4), welche Tiegelwand (4) einen offenen ersten Endbereich (5) und einen in Richtung einer Längsachse (7) davon beabstandet angeordneten bodenseitigen zweiten Endbereich (6) aufweist, wobei von der Tiegelwand (4) im Querschnitt bezüglich der Längsachse (7) gesehen eine Tiegelwand-Innenfläche (8) und in einer Tiegelwanddicke (10) davon beabstandet eine Tiegelwand-Außenfläche (9) definiert ist, - zumindest einen Tiegelboden (12), welcher Tiegelboden (12) im bodenseitigen zweiten Endbereich (6) angeordnet ist, und - wobei von der Tiegelwand (4) und dem Tiegelboden (12) ein Aufnahmeraum (11) zur Bildung des Kristalls definiert ist, dadurch gekennzeichnet, - dass der Tiegelboden (12) zu seinem überwiegenden Anteil, insbesondere vollständig, ausschließlich aus einer Platte (13) aus einem bereits künstlich hergestellten SaphirKristall gebildet ist, und - dass die den Tiegelboden (12) bildende Platte (13) einen Keimkristall für den herzustellenden Saphir-Kristall bildet.

2, Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der offene erste Endbereich (5) der Tiegelwand (4) von einem Tiegeldeckel (15) abgedeckt ist.

3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiegelwand (4) und/oder der Tiegeldeckel (15) aus einem Material gebildet ist, welches aus der Gruppe von Iridium (Ir), Wolfram (W), Molybdän (Mo) ausgewählt ist.

4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Tiegelboden (12) bildende Platte (13) eine Plattenstärke (14) aufweist, welche aus einem Plattenstärke-Wertebereich stammt, dessen untere Grenze 0,5 mm, insbesondere 1 mm, und dessen obere Grenze 5 mm, insbesondere 2 mm, beträgt.

5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiegelwand (4) bei lotrechter Ausrichtung von deren Längsachse (7) mit ihrem bodenseitigen zweiten Endbereich (6) auf der den Tiegelboden (12) bildenden Platte (13) aus dem künstlich hergestellten Saphir-Kristall auflagernd abgestützt ist.

6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die den Tiegelboden (12) bildenden Platte (13) eine Außenabmessung (19) aufweist welche maximal einer von der Tiegelwand-Außenfläche (9) definierten Querschnittsabmessung entspricht.

7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Halteansätze (22) vorgesehen sind, welche Halteansätze (22) die Tiegelwand-Innenfläche (8) in Richtung auf die Längsachse (7) überragen und im bodenseitigen zweiten Endbereich (6) der Tiegelwand (4) angeordnet sind sowie über den Umfang der Tiegelwand-Innenfläche (8) verteilt angeordnet sind.

8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteansätze (22) einen integralen Bestandteil der Tiegelwand (4) bilden.

9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 7, 8, dadurch gekennzeichnet, dass die den Tiegelboden (12) bildende Platte (13) eine Außenabmessung (21) aufweist welche maximal einer von der Tiegelwand-Innenfläche (8) definierten Querschnittsabmessung entspricht und die Platte (13) bodenseitig in den Aufnahmeraum (11) eingesetzt ist.

10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die den Tiegelboden (12) bildende Platte (13) mit ihrer äußeren Umfangs-Stirnfläche (23) durchgängig dichtend an der Tiegelwand-Innenfläche (8) anliegt.

11. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die den Tiegelboden (12) bildende Platte (13) auf den Halteansätzen (22) auf jeweils deren dem offenen ersten Endbereich (5) zugewendeten Seite auflagernd abgestützt ist.

12. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 9, 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiegelwand (4) mit ihrem bodenseitigen zweiten Endbereich (6) auf zumindest einem Stützelement (24) auflagernd abgestützt ist.

13. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stützvorrichtung (25) vorgesehen ist und die Tiegelwand (4) und die den Tiegelboden (12) bildende Platte (13) gemeinsam auf der Stützvorrichtung (25) auflagernd abgestützt sind und dass die Stützvorrichtung (25) zumindest eine die Stützvorrichtung (25) in Richtung der Längsachse (7) durchdringende Durchsetzung (26) aufweist.

14. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der vom Aufnahmeraum (11) abgewendeten Seite der den Tiegelboden (12) bildenden Platte (13) zumindest ein Sensor (16) angeordnet ist.

15. Verfahren zum Züchten eines künstlich hergestellten Saphir-Kristalls, insbesondere unter Verwendung der Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem folgende Schritte durchgeführt werden - Bereitstellen einer Tiegelwand (4), welche Tiegelwand (4) einen offenen ersten Endbereich (5) und einen in Richtung einer Längsachse (7) davon beabstandet angeordneten bodenseitigen zweiten Endbereich (6) aufweist, wobei von der Tiegelwand (4) im Querschnitt bezüglich der Längsachse (7) gesehen eine Tiegelwand-Innenfläche (8) und in einer Tiegelwanddicke (10) davon beabstandet eine Tiegelwand-Außenfläche (9) definiert wird,

- Bereitstellen eines Tiegelbodens (12), welcher Tiegelboden (12) im bodenseitigen zweiten Endbereich (6) angeordnet wird,

- wobei von der Tiegelwand (4) und dem Tiegelboden (12) ein Aufnahmeraum (11) zur Bildung des Saphir-Kristalls definiert wird, und

- Bereitstellen eines Basismaterials (2) zur Bildung des Saphir-Kristalls und Einbringen desselben in den Aufnahmeraum (11), wobei das Basismaterial (2) anschließend aufgeschmolzen und nachfolgend die Schmelze zu deren Verfestigung und Bildung des SaphirKristalls abgekühlt wird,

dadurch gekennzeichnet,

- dass der Tiegelboden (12) zu seinem überwiegenden Anteil, insbesondere vollständig, ausschließlich aus einer Platte (13) aus einem bereits künstlich hergestellten SaphirKristall gebildet wird, und

- dass von der den Tiegelboden (12) bildenden Platte (13) ein Keimkristall für den herzustellenden Saphir-Kristall gebildet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensor (16) bereitgestellt wird und der zumindest eine Sensor (16) auf der vom Aufnahmeraum (11) abgewendeten Seite der den Tiegelboden (12) bildenden Platte (13) angeordnet wird und vom Sensor (16) durch die den Tiegelboden (12) bildenden Platte (13) hindurch die relative Lage einer Grenzschicht (18) zwischen dem erstarrten Saphir-Kristall und der Schmelze ermittelt wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen