Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Saphir-Kristalls durch Züchtung aus einer Schmelze.

Synthetisch hergestellte einkristalline Werkstoffe haben ein breites Feld an technischen Anwendungen. Je nach der Art des Werkstoffs eignen sich unterschiedliche Methoden zur Herstellung der entsprechenden Einkristalle. Dazu muss das üblicherweise polykristallin vorliegende Ausgangs- bzw. Rohmaterial (Pulver oder Granulat) einer Umkristallisation unterzogen werden. Die Herstellungsverfahren lassen sich nach den Phasenübergängen, die zu dem Einkristall führen, unterscheiden. Diese können eine Züchtung aus der Schmelze, aus der Lösung oder aus der Gasphase sein. Ein sogenannter Impfkristall bzw. ein Keimkristall bildet dabei die Basis für die Anlagerung weiterer Lagen von aus Atomen gebildeten Gitterebenen des Kristallgitters. Bei der Züchtung eines Einkristalls aus einer Schmelze muss dazu das Ausgangsmaterial in einem Tiegel eines entsprechenden Ofens über seine Schmelztemperatur erhitzt und somit verflüssigt werden. Zur Auskristallisation der Schmelze an dem Keimkristall muss die Temperatur langsam genug unter den Schmelzpunkt sinken. Der Keimkristall wird dazu durch Kühlung geringfügig unterhalt der Schmelztemperatur gehalten.

Für technisch-industrielle Anwendungen besonders bedeutsam sind Einkristalle aus Saphir. Diese können synthetisch aus geschmolzenem Aluminiumoxid (AI2O3) hergestellt werden. Saphir ist säurebeständig und wird wegen seiner hohen Kratzfestigkeit beispielsweise als sogenanntes Saphirglas für Uhrengläser oder als kratzfestes Display von Smartphones eingesetzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein Verfahren zur Herstellung von Kristallen mit verbesserten Eigenschaften zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Ansprüchen gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Saphir-Kristalls durch Züchtung aus einer Schmelze, wird an einem Boden eines Tiegels ein scheibenförmiger Keimkristall angeordnet und darüber ein Ausgangsmaterial aus Aluminiumoxid in den Tiegel gefüllt, wobei das Ausgangsmaterial Aluminiumoxid in stückiger, granulärer oder pulverförmiger Beschaffenheit umfasst. Das Ausgangsmaterial wird bis zur Bildung der Schmelze erhitzt und anschließend durch Abkühlen der Schmelze eine Rekristallisation des Ausgangsmaterials an dem Keimkristall durchgeführt. Dabei wird eine Mehrzahl von Kacheln mosaikartig zusammengefügt, wobei durch diese zusammengefügten Kacheln der Keimkristall gebildet wird. Dadurch wird der Vorteil der Ausbildung eines Kristalls mit höherer Bruchfestigkeit erreicht. Außerdem können damit Kristalle mit größeren Durchmessern hergestellt werden.

Von Vorteil ist auch die Weiterbildung des Verfahrens, wobei die Kacheln mit einer gleichen äußeren Form hergestellt werden und die Anordnung der Mehrzahl von Kacheln eine zweidimensionale, makroskopische Kristallstruktur bildet. Dies ermöglicht die zielgerichtete Erzeugung einer axial- symmetrischen Verteilung von Kristallversetzungen in dem mit dem Verfahren hergestellten Kristall.

Als vorteilhaft erweist sich auch, wenn eine äußere Form der Kacheln die Gestalt symmetrischer Sechsecke aufweist.

In einer alternativen Verfahrensweise kann auch vorgesehen sein, dass eine äußere Form der Kacheln die Gestalt gleichseitiger Dreiecke aufweist.

Bei einer weiteren Alternative ist eine äußere Form der Kacheln in Gestalt von zueinander gleichen Quadraten vorgesehen.

Von Vorteil ist auch, wenn die jeweiligen Einkristalle der einzelnen Kacheln räumlich gleich ausgerichtet sind.

Die Verfahrensweise, bei der die kristallografische c- Achse des Kristallgitters des Keimkristalls parallel bezüglich einer Flächennormalen einer Oberseite des Keimkristalls ausgerichtet wird, hat den Vorteil, dass bei der späteren Fertigung von Wavern aus dem synthetischen Kristall bevorzugte optische Eigenschaften leichter erreicht werden können.

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

Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung:

Fig. 1 einer Vorrichtung zum Herstellen eines Einkristalls durch Züchtung aus der Schmelze; Fig. 2 einen Querschnitt der Vorrichtung bzw. des Tiegels gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt des Tiegels gemäß Fig. 1, entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 einen Querschnitt des Tiegels gemäß Fig. 1, entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel.

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.

Die Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zum Herstellen eines Einkristalls durch Züchtung aus der Schmelze, geschnitten dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Tiegel 2, dessen äußerer Umfang von einer - hier nur schematisch angedeuteten - Heizvorrichtung 3 umgeben ist. Der Tiegel 2 ist in etwa topfförmig mit einem Boden 4 ausgebildet.

Zur Durchführung eines Herstellungsprozesses eines Einkristalls wird der Tiegel 2, befüllt mit einem entsprechenden Ausgangsmaterial 5, in einen hier nicht dargestellten Ofen eingesetzt. Dabei handelt es sich um einen Ofen, wie sie für den Einsatz bei besonders hohen Temperaturen speziell ausgerüstet sind. So sind sowohl thermische Isolierungen zur Vermeidung von Wärme- bzw. Energieverlust als auch eine Abschirmung gegenüber atmosphärischen Einflüssen, wie den Zutritt von Luft-Sauerstoff, vorgesehen. Alternativ können Teilbereiche des inneren Volumens des Ofens mit Schutzgas gefüllt oder durch Vakuumpumpen entleert sein. Das Ausgangsmaterial 5 kann eine stückige, körnige bis hin zu einer pulverförmigen Struktur aufweisen. Es können auch größere Stücke zur Erreichung einer besseren Fülldichte in dem Tiegel 2 verwendet werden.

Vor dem Befüllen des Tiegels 2 mit dem Ausgangsmaterial 5 wird ein Impfkristall bzw. ein Keimkristall 6 am Boden 4 des Tiegels 2 angeordnet. Als Keimkristall 6 wird eine monokristalline, dünne Scheibe des herzustellenden kristallinen Werkstoffs verwendet. Der Keimkristall 6 erstreckt sich dabei vorzugsweise über nahezu einen gesamten inneren Durchmesser 7 des Tiegels 2. Anschließend an die Befestigung des Keimkristalls 6 an dem Boden 4 des Tiegels 2 wird das Verbleibende Volumen des Tiegels 2 mit dem Ausgangsmaterial 5 be- füllt. Der Tiegel 2 kann schließlich durch einen Tiegeldeckel 8 verschlossen werden. Als Werkstoffe für die Herstellung des Tiegels 2 als auch des Tiegeldeckels 8 eignen sich Materialien aus der Gruppe von Iridium, Wolfram oder Molybdän.

Eingesetzt in den Ofen, wird schließlich der Tiegel 2 mit dem Ausgangsmaterial 5 erhitzt, wodurch das zunächst fest vorliegende Ausgangsmaterial 5 in eine Schmelze 9 überführt wird. Im Grenzbereich zwischen dem Keimkristall 6 und der Schmelze 9 kann es dabei auch zu einem teilweisen Aufschmelzen der Oberfläche des Keimkristalls 6 kommen. Indem der Boden 4 auf einer geringfügig niedrigeren Temperatur als die Schmelztemperatur des Ausgangsmaterials 5 gehalten wird, bildet sich im Bereich des Bodens 4 des Tiegels 2 ein Temperaturgradient aus, der zu einem Wärmeentzug aus der Schmelze 9 führt. Durch diesen kommt es gleichzeitig zu einer Anlagerung von Atomen aus der Schmelze 9 an dem Keimkristall 6 und somit zu einem fortschreitenden Kristallwachstum. Dieses dauert so lange an, bis schließlich die gesamte Menge des Ausgangsmaterials 5 bzw. das gesamte Volumen der Schmelze 9 zu einem einstückigen Einkristall des Werkstoffs umgeformt bzw. umkristallisiert ist.

Im Falle der Herstellung von Saphir-Einkristallen wird Aluminiumoxid unterschiedlicher Konsistenz als Ausgangsmaterial 5 verwendet. Dabei kann es sich um polykristalline Klumpen, körniges Material oder Pulver unterschiedlicher Korngrößen handeln. Aluminiumoxid (AI2O3) erfordert ein Erhitzen auf über 2050 °C, um es in die Schmelze 9 zu verflüssigen. Als Keimkristall 6 dienen vorzugsweise zuvor selbst künstlich hergestellte Saphir-Kristalle, und zwar in der Form eines sogenannten „Waver“ (dünne Scheibe). Der Keimkristall 6 zur Herstellung von Saphir- Einkristallen weist vorzugsweise eine Dicke 10 mit einem Wert aus einem Bereich von 0,3 mm bis 1 mm auf. Der Keimkristall 6 ist im Übrigen vorzugsweise derart gefertigt, dass dessen Kristallgitter bezüglich der makroskopischen Oberflächen des Keimkristalls 6 in einer bevorzugten relativen Lage ausgerichtet ist. Die kristallografische c-Achse des Kristallgitters des Keimkristalls 6 ist vorzugsweise parallel bezüglich einer Flächennormalen 11 einer Oberseite 12 des Keimkristalls 6 ausgerichtet. Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt der Vorrichtung 1 bzw. des Tiegels 2 gemäß Fig. 1. Die Darstellung in Fig. 2 entspricht einer Draufsicht von Oben auf den Tiegel 2 im noch nicht mit dem Ausgangsmaterial 5 befüllten Zustand, wobei der Keimkristall 6 bereits am Boden 4 des Tiegels 2 angeordnet ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Keimkristall 6 eine mosaikartige Anordnung von Kacheln 13. Die Kacheln 13 des Keimkristalls 6 weisen insbesondere eine gleiche äußere Form in Gestalt symmetrischer Sechsecke auf. Dabei sind Seitenkanten 14 der Kacheln 13 dicht an dicht aneinandergefügt, sodass die Anordnung der Kacheln 13 ein hexagonales Muster bildet. Unter einer Anordnung der Kacheln 13 soll dabei eine ebene Anordnung von dünnen Scheiben mit gleicher Dicke, wie die Dicke 10 des Keimkristalls 6, verstanden werden. Die Herstellung des aus den Kacheln 13 bestehenden Keimkristalls 6 erfolgt dabei derart, dass um eine erste, zentral um die Mittelachse 15 angeordnete Kachel 13 in radialer Richtung, von Innen nach Außen fortschreitend, weitere Kacheln 13 zu dem Muster zusammengefügt werden. Dies erfolgt insbesondere in der Art, dass jeweils einander zugewandte Seitenkanten 14 von einander unmittelbar benachbarten Kacheln 13 einander berühren, d.h. dass keine Fugen dazwischen freibleiben. Oberseiten der Kacheln 13 bilden also gemeinsam eine lückenlos zusammenhängende Fläche, d.h. die Fläche der Oberseite 12 des Keimkristalls 6.

Bei der Herstellung des Keimkristalls 6 aus einer Anordnung von mehreren Kacheln 13 ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Einkristalle der einzelnen Kacheln 13 räumlich gleich ausgerichtet sind. Das heißt, Gitterebenen der gleichen Art einer ersten Kachel 13 und einer dazu benachbarten zweiten Kachel 13 sind räumlich gleich ausgerichtet.

Die Herstellung eines Saphir- Einkristalls unter Verwendung eines solchen aus einer Mehrzahl von Kacheln 13 gebildeten Keimkristall 6 ermöglicht eine zielgerichtete Beeinflussung des Kristallwachstums. Durch die als symmetrische Sechsecke ausgebildeten Kacheln 13 wird ein hexagonales Muster von Kristallversetzungen in dem sich bildenden Einkristall hervorgerufen. Insgesamt kommt es zur Ausbildung einer bezüglich einer Mittelachse 15 des Keimkristalls 6 axial-symmetrischen Verteilung der Kristallversetzungen mit einem hexagonalen Muster.

Der schlussendlich so gefertigte Saphir-Kristall weist eine höhere Bruchfestigkeit als die Bruchfestigkeit von Saphir- Einkristallen mit weniger Kristallversetzungen auf. 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 Fig. 2 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die detaillierte Beschreibung in den vorangegangenen Fig. 1 und Fig. 2 hingewiesen bzw. Bezug genommen.

Anhand der Fig. 3 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 bzw. des Verfahrens zur Herstellung eines Einkristalls durch Züchtung aus einer Schmelze beschrieben. Die Fig. 3 zeigt einen Querschnitt des Tiegels 2 der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1, im noch nicht mit dem Ausgangsmaterial 5 befüllten Zustand. Dabei ist am Boden 4 des Tiegels 2 der Keimkristall 6 bereits angeordnet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Keimkristall 6 aus dreieckigen Kacheln 16 zusammengesetzt. Die Kacheln 16 dieses Keimkristalls 6 weisen dabei eine äußere Form in Gestalt gleichschenkeliger Dreiecke auf. Um eine erste, zentral um die Mittelachse 15 angeordnete Kachel 16 werden dazu radial fortschreitend weitere Kacheln 16 hinzugefügt.

Die dreieckigen Kacheln 16 werden aus zuvor selbst künstlich hergestellten Einkristallen des entsprechenden Werkstoffs geschnitten. Die Kacheln 16 werden dazu in einer Größe hergestellt, sodass Seitenkanten 17 eine Länge 18 mit einem Wert von 15 mm bis 35 mm aufweisen.

Für die Herstellung des Keimkristalls 6 werden vorzugsweise Kacheln 13, 16 mit gleicher äußerer Form und Abmessungen verwendet. Durch die Anordnung der Mehrzahl von Kacheln 13, 16 kann somit die Ausbildung einer zweidimensionalen Kristallstruktur erreicht werden. Das heißt, die Kacheln 13, 16 sind zu dem Keimkristall 6 mit einer Periodizität entsprechend einer makroskopischen Kristallstruktur zusammengefügt.

Die Fig. 4 zeigt einen Querschnitt des Tiegels 2 der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 mit einem alternativen Ausführungsbeispiel des Keimkristalls 6. Die Darstellung in der Fig. 4 entspricht wiederum einer Draufsicht von oben auf den Tiegel 2 im noch nicht mit dem Ausgangsmaterial 5 befüllten Zustand. Der Keimkristall 6 am Boden 4 des Tiegels 2 ist bei diesem Ausführungsbeispiel aus Kacheln 19 mit einer äußeren Kontur in der Form eines Quadrats zusammengesetzt. Um eine um die Mittelachse 15 achssymmetrisch angeordnete erste Kachel 19 herum sind weitere quadratische Kacheln 19 angeordnet. Die Anordnung der Kacheln 19 des Keimkristalls 6 bildet ein zweidimensionales makroskopisches Kristallsystem aus. Mit dem beschriebenen Verfahren können Einkristalle des gewünschten Werkstoffs hergestellt werden, in die in einem vorbestimmten Ausmaß eine Verteilung von Kristallversetzungen eingeprägt ist. Neben den dadurch erzielten Veränderungen in den physikalischen und chemischen Eigenschaften der so hergestellten Kristalle, hat das erfindungsgemäße Verfahren auch noch den Vorteil, dass Kristalle mit größeren Durchmessern 7 hergestellt werden können.

Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt.

Der Schutzbereich ist durch die Ansprüche bestimmt. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind jedoch zur Auslegung der Ansprüche heranzuziehen. Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können für sich eigenständige erfinderische Lösungen darstellen. Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.

Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mitumfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mit umfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereiche beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1, oder 5,5 bis 10.

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

Vorrichtung

Tiegel

Heizvorrichtung

Boden

Au sgang smaterial

Keimkristall

Durchmesser

Tiegeldeckel

Schmelze

Dicke

Flächennormale

Oberseite

Kachel

Seitenkante

Mittelachse

Kachel

Seitenkante

Länge

Kachel