Smart Floating Zone – Lichtbeheizte Zonenschmelzkristallzüchtungsanlage mit hohem Druck

Abstract: Die lichtbeheizte Zonenschmelzanlage arbeitet unter einem Gasdruck von bis zu 150 bar. Ein integriertes Vakuumsystem ermöglicht einen Unterdruck von 10-5 mbar, der sowohl zur Reinigung des Systems als auch als Betriebsdruck einstellbar ist.  Bezüglich der Gaszusammensetzung und der Art des zur Kristallzüchtung eingesetzten Ausgangsmaterials, ist die Maschine universell einsetzbar. Die in-situ erfolgende Messung der Temperaturverteilung in und um die Schmelzzone herum, die ebenfalls während des laufenden Prozesses justierbare Optik sowie die auch unter hohem Druck sehr präzise Arbeitenden Ziehantriebe geben dem Nutzer eine Anlage in die Hand, mit der unter hoher Reproduzierbarkeit Zonenschmelzexperimente durchgeführt werden können. Die Antriebe arbeiten sowohl rotatorisch als auch translatorisch voneinander unabhängig. Mit ihnen lassen sich schlupffreie Axialbewegungen bei Geschwindigkeiten zwischen 0,01 mm/h und 2 cm/min einstellen.

 

Keywords: Kristallzüchtung, Lichtbeheizte Schmelzzone, Hochdruck, In-situ Temperaturmessung, Ziehantriebe

 

Beschreibung: In der Smart Floating Zone (SFZ) sind die Züchtungsbedingungen in sehr weiten Grenzen variabel. Damit ist sie für nahezu alle Materialklassen, die sich prinzipiell im Zonenschmelzverfahren zu Einkristallen züchten lassen, einsetzbar. Die hohe Leistungsreserve und die überaus stabile Leistungsreglung gestatten die Verarbeitung von Materialien, deren Schmelztemperaturen zwischen 1000 K und 3700 K liegen. Das optische Heizprinzip basiert auf einem Ellipsoid-Spiegelsystem das die Lichtenergie einer Gasentladung in den Bereich der Schmelzzone fokussiert. Durch diesen Abbildungsbereich bewegt sich das Ausgangsmaterial, schmilzt auf und erstarrt zum Einkristall. Das Prizip der Heizung und des Züchtungsprozesses ist in Abbildung 1 dargestellt.

  

Nach einem patentierten Verfahren erlaubt die neue Anlage in-situ die Messung des in der Schmelzzone herrschenden  Temperaturprofils. Desweiteren lassen sich sowohl die Leistung der XBO-Lampe (max. 8 kW) als auch die Abbildungsparameter im laufenden Betrieb variieren und ermöglichen somit eine maximale Kontrolle des Züchtungsprozesses.   Die Zusammensetzung des Prozessgases ist frei wählbar und kann in allen Druckbereichen sowohl statisch als auch im geregelten Gasstrom in die Züchtungskammer eingebracht werden.   Der Aufbau der Anlage berücksichtigt die Besonderheiten der experimentellen Bedingungen und verfügt über ein hohes Maß an aktiven und passiven Sicherungselementen. Das Gehäuse schützt das Personal vor den Folgen eines eventuellen Berstens.  Eine SPS steuert die Betriebsgrößen, organisiert die deren Protokollierung und Speicherung gemeinsam mit den zeitcodierten Videodaten und verhindert eine Vielzahl möglicher Fehlbedienungen. Die Eingabe der Betriebsparameter , erfolgt komfortabel über die Oberfläche eine touch screens. Die realisierte SFZ ist in Abbildung 2. gezeigt.

  Als weltweit erstem Institut steht dem IFW eine Zonenschmelzanlage zur Verfügung, die unter den extremen Züchtungsbedingungen für nahezu alle Materialklassen  einsetzbar ist.