DE8711063U1

DE8711063U1 - Device for growing crystals

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Publication number: DE8711063U1
Application number: DE8711063U
Authority: DE
Original assignee: SCHEEL HANS J 6455 ERLENSEE DE
Current assignee: SCHEEL HANS J 6455 ERLENSEE DE
Priority date: 1987-08-13
Filing date: 1987-08-13
Publication date: 1988-01-07

Description

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Hans J. ScheelHans J. Scheel

An der V/uestung 13At the V/uestung 13

6455 Erlensee6455 Erlensee

Beschreibung
Vorrichtung zur Züchtung von Kristallen Description
Device for growing crystals

Die Neuerung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Züchtung von Kristallen insbesondere nach der Czochralski-Methode umfassend in einem Tiegel vorhandene Schmelze und eine Kristallhalterung für einen Keimkristall für einen aus der Schmelze zu ziehenden Kristall, wobei die Halterung in dem der Schmelze zugewandten Bereich eine Öffnung aufweist, die dem Querschnitt des Keimkristalles angepaßt ist.The innovation relates to a device for growing crystals, in particular according to the Czochralski method, comprising melt present in a crucible and a crystal holder for a seed crystal for a crystal to be pulled from the melt, wherein the holder has an opening in the area facing the melt that is adapted to the cross-section of the seed crystal.

Um mit entsprechenden Vorrichtungen Keimkristalle vie z.B. Silizium- oder Galliumarsenidkristalle zu züchten, werden von der Halterung Keimkristalle eingespannt, die an ihren freien äußeren Enden zur Erzielung eines dünnen Impfkristall gewünschte Orientierung verjüngt sind. Dieser Bereich gelangt sodann mit der Schmelze in Berührung, um im kontinuierlichen Ziehverfahren den Kristall gewünschter Dicke zu züchten (Dash- oder Neck-in-Verfahren). Mit entsprechenden Vorrichtungen können Kristalle gezüchtet werden, die theoretisch ein Gewicht bis maximal 1000 kg aufweisen. Höhere Gewichte sind nicht möglich, da andernfalls die Gefahr bestünde, daß der Kristall im Bereich der Einschnürung abbricht. In der heutigen Technologie werden aber Kristalle gezogen, die nur etwa 1/10 des theoretisch möglichen Gewichts besitzen. ist ein Kristall gewünschter Größe gezüchtet worden, so wird dieser zusammen mit dem Keimkristall weiteren Bearbeitungen unterzogen. Zur Züchtung eines neuenIn order to grow seed crystals such as silicon or gallium arsenide crystals using appropriate devices, seed crystals are clamped into the holder, which are tapered at their free outer ends to achieve a thin seed crystal with the desired orientation. This area then comes into contact with the melt in order to grow the crystal of the desired thickness in a continuous pulling process (dash or neck-in process). Using appropriate devices, crystals can be grown that theoretically weigh up to 1000 kg. Higher weights are not possible, as otherwise there would be a risk that the crystal would break off in the area of the constriction. However, with today's technology, crystals are grown that only have about 1/10 of the theoretically possible weight. Once a crystal of the desired size has been grown, it is subjected to further processing together with the seed crystal. To grow a new

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Kristalles muß ein neuer Keimkristall in die Halterung eingesetzt verden. Hierdurch bedingt treten Schwankungen in der Güte der herzustellenden Kristalle auf, da diese verständlicherweise von der Perfektion und Orientierung des Keimkristalles abhängig sind.Crystal, a new seed crystal must be inserted into the holder. This causes fluctuations in the quality of the crystals to be produced, as these are understandably dependent on the perfection and orientation of the seed crystal.

Mit anderen Worten kann bei der Herstellung von Kristallen mit bekannten Vorrichtungen die Reproduzierbarkeit der gezüchteten Kristalle leiden.In other words, when producing crystals using known devices, the reproducibility of the grown crystals may suffer.

, Ein weiterer Nachteil entsprechender Verfahren bzw. der hierzu, Another disadvantage of corresponding procedures or the

Verwendeten Vorrichtungen ist darin zu sehen, daß sich erst nach einer gewissen Kristalldicke steady-state Zustand einstellt. Dies ist dadurch bedingt, daß zu Beginn des Prozeßbeginnes die Grenzflächen zwischen Kristall und Schmelze konkvex und anschließend erst konkav ausgebildet sind. Außerdem stellt sich erst nach einer gewissen Ziehlänge das thermische Gleichgewicht ein.The devices used show that the steady state only occurs after a certain crystal thickness. This is due to the fact that at the beginning of the process the interfaces between the crystal and the melt are concave and then only concave. In addition, thermal equilibrium only occurs after a certain drawing length.

Aufgabe der vorliegenden Neuerung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß Kristalle größeren Gewich*s problemlos hergestellt und transportiert werden können, wobei hinsichtlich der Reproduzierbarkeit der herzustellenden \ Kristalle Einbußen nicht hingenommen werden sollen. Dabei sollThe aim of the present innovation is to design a device of the type mentioned at the beginning in such a way that crystals of greater weight can be produced and transported without any problems, whereby losses should not be accepted with regard to the reproducibility of the crystals to be produced.

mit. konstruktiv einfachen Mitteln der Keimkristall in der Halterung festgelegt werden können.with. structurally simple means the seed crystal can be fixed in the holder.

Die Aufgabe wird im wesentlichen dadurch gelöst, daß die Querschnittsfläche der Öffnung der Halterung in etwa der Querschnittsfläche der gezüchteten Kristalle entspricht. Mit anderenThe task is essentially solved by the cross-sectional area of the opening of the holder being approximately equal to the cross-sectional area of the grown crystals. With other

j Worten verwendet man einen Keimkristall mit einem Querschnitt,j words, a seed crystal with a cross-section is used,

j der dem des gezüchteten Kristalles entspricht. Hierdurch bedingtj which corresponds to that of the grown crystal. This causes

[ verzichtet man auf das Dash- oder Neck-in-Verfahren, so daß die[ the dash or neck-in method is omitted, so that the

! hiermit verbundenen Nachteile hinsichtlich Gewicht des gezüchte! associated disadvantages regarding weight of the bred

ten Kristalles verlassen werden. Vielmehr können aufgrund des in etwa gleichbleibenden üurchmessers von Keimkristall undRather, due to the approximately constant diameter of the seed crystal and

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gezüchtetem Kristall größere Kristalle hergestellt werden. Auch der Transport kann mit ein und derselben Halterung nach Fer· tigstellung des Kristalles erfolgen, da nicht die Gefahr besteht, daß ein Abbrechen erfolgt. Aufgrund des Durchmessers und der damit gegebenen Stabilität des Kristalles kann sogar der Kristall Während des Sägens von der Halterung gehalten werden.Larger crystals can be produced from grown crystals. Even the crystal can be transported using one and the same holder after it has been finished, as there is no risk of it breaking off. Due to the diameter and the resulting stability of the crystal, the crystal can even be held by the holder during sawing.

Ein weiterpr entscheidender Vnrtpil ist darin ?.u Rehen, daß stets ein und derselbe Keimkristall zum Züchten von weiteren Krista-.llen benutzt wird. So braucht nur der gezüchtete Krist&ll im _; &lgr; gewünschten Abstand von der Halterung abgesägt zu werden» umAnother decisive advantage is that one and the same seed crystal is always used to grow further crystals. This means that the grown crystal only needs to be sawed off _at the desired distance from the holder in order to

den so verbleibenden "Rest"-Kristall als neuen Keimkristall zu verwenden. Selbstverständlich muß zuvor die Schnittfläche geätzt werden, um Versetzungen und Verunreinigungen und ähnliches zu entfernen.to use the remaining "residual" crystal as a new seed crystal. Of course, the cut surface must be etched beforehand in order to remove dislocations and impurities and the like.

Vorzugsweise ist die Kristallhalterung topfförrnig mit offener Bodenfläche und zylindrischer Seitenwandung ausgebildet, wobei die wirksame innere Höhe L der Halterung zu dem Radius R des aufgenommenen Keimkristalles sich in etwa verhält wie 0,5 = L/R ^ 5.Preferably, the crystal holder is pot-shaped with an open bottom surface and cylindrical side walls, whereby the effective inner height L of the holder to the radius R of the accommodated seed crystal is approximately in the ratio of 0.5 = L/R ^ 5.

Um eine einfache Ausrichtung zwischen dem Keimkristall und der ^ Halterung zu ermöglichen, weist diese eine Referenzfläche auf,To enable easy alignment between the seed crystal and the ^ holder, the latter has a reference surface,

an die der Keimkristall angelegt wird. Hierzu ist vorzugsweise die Kristallhalterung stirnseitig konusförmig ausgebildet und dient damit als Zentrierung für an aufzunehmenden Keimkristall. Als Referenzflächen zur präzisen Kristallorientierung können auch eine planare Stirnfläche von der vorzugsweise als Topf ausgebildeten Halterung und Kristall oder auch eine eier zwei seitliche planare Flächen am Kristall und am Haltetopf dienen.to which the seed crystal is placed. For this purpose, the crystal holder is preferably designed to be conical on the front side and thus serves as a centering point for the seed crystal to be held. A planar front surface of the holder, which is preferably designed as a pot, and crystal or one or two lateral planar surfaces on the crystal and on the holding pot can also serve as reference surfaces for precise crystal orientation.

Ferner ist darauf hinzuweisen, daß der Keimkristall nicht notwendigerweise Zylinderform aufweisen muß. Vielmehr kan^. der Querschnitt des Keimkristalles und damit der Querschnitt desIt should also be noted that the seed crystal does not necessarily have to be cylindrical. Rather, the cross section of the seed crystal and thus the cross section of the

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Haltetopfes auch quadratisch oder rechteckig sein, und zwar zumindest in dem Bereich, in dem der Keimkristai? in die Halterung hineinragt.The shape of the holding pot can also be square or rectangular, at least in the area where the seed crystal protrudes into the holder.

Um ein sicheres, jedoch konstruktiv einfaches Befestigen des Keimkristalles in der Halterung zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, daß der Keimkristall stirnseitig von von der Stirnfläche der Halterung ausgehenden Befestigungselementen wie Schrauben durchsetzt ist. Dabei können die Schrauben unmittelbar in den Keimkristall eingeschraubt werden, d.h., ein Gewinde in den Keimkristall selbst gebohrt werden, oder aber für die Befestigungselemente können mit Hochtemperaturkitt wie Epoxiharz ausgefüllte Ausnehmungen in dem Kristall selbst vorhanden sein, in die dann Schrauben eingedreht werden Können. |In order to enable the seed crystal to be securely fastened in the holder in a structurally simple manner, it is suggested that the seed crystal is penetrated at the front by fastening elements such as screws extending from the front surface of the holder. The screws can be screwed directly into the seed crystal, i.e. a thread can be drilled into the seed crystal itself, or the fastening elements can be provided in recesses in the crystal itself filled with high-temperature cement such as epoxy resin, into which screws can then be screwed. |

Des weiteren kann vorgesehen sein, daß der Keimkristall von zumindest einem die Seitenwandung durchsetzenden Befestigungselement gehalten ist. Vorzugsweise sind zumindest zwei diametral zueinander angeordnete Befestigungselemente mittelbar oder unmittelbar flächig auf der Außenfläche abgestützt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß eine punktuelle Berührung zwischen Befestigungselement und Kristalloberfläche unterbleibt, so daß Beschädigungen des Kristalles ausgeschlossen sind. Die flächige Kraftübertragung kann dadurch erfolgen, daß zwischen dem Befestigungselement und der Kristallumfangsfläche temperaturbeständige flächige Elemente wie Stahlbleche angeordnet sind, die gegebenenfalls von der Innenwandung der Halterung ausgehen können, um ein Verrutschen zu vermeiden. Dabei können die flrichigen Elemente auch als Federelementr ausgebildet sein.Furthermore, it can be provided that the seed crystal is held by at least one fastening element that passes through the side wall. Preferably, at least two fastening elements arranged diametrically opposite one another are supported directly or indirectly on the outer surface. This has the advantage that there is no point contact between the fastening element and the crystal surface, so that damage to the crystal is excluded. The force can be transmitted over the surface by arranging temperature-resistant flat elements such as steel sheets between the fastening element and the crystal's peripheral surface, which can optionally extend from the inner wall of the holder to prevent slipping. The flat elements can also be designed as spring elements.

Alternativ besteht die Möglichkeit, daß der Kristall radial von einem Befestigungselement durchsetzt ist. In diesem Fall würden sich weitere Befestigungselemente erübrigen.Alternatively, there is the possibility that the crystal is radially penetrated by a fastening element. In this case, further fastening elements would be unnecessary.

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Ungeachtet von der Art der Befestigung wird jedoch der Kristall nach Einbringen von Ausnehmungen oder nach einem Durchbohren in diesen Bereichen geätzt, um Versetzungen, Verunreinigungen und ähnliches zu entfernen, die andernfalls in Richtung der Schmelze wandern könnten.Regardless of the type of attachment, however, the crystal is etched after recesses have been made or after drilling through these areas in order to remove dislocations, impurities and the like that could otherwise migrate towards the melt.

Stirnseitig geht von der Halterung eine Welle aus, die ->owohl zur Rotation der Halterung als auch als Handhabe zum Tragen des Kristalles zu z.B. einer weiteren Bearbeitungsstation dienen .kann.A shaft extends from the front of the holder, which can be used both to rotate the holder and as a handle for carrying the crystal to another processing station, for example.

Hervorzuheben ist, daß mit der neuerungsgemäßen Halterung Keimkristalle mit Durchmessern von mehr als 25mm bis vorzugsweise 260mm aufgenommen werden. Hieraus ergibt sich, daß im Vergleich zum Stand der Technik große Kristalle hergestellt werden können. Gleichzeitig erhöht sich die Ausbeute, da mit der neuerungsgemäßen Vorrichtung hergestellte Kristalle weniger Prozeßzeit benötigen, so daß eine reduzierte Wahrscheinlichkeit des Strukturverlustes erzielt wird.It should be emphasized that the innovative holder accommodates seed crystals with diameters of more than 25 mm up to preferably 260 mm. This means that large crystals can be produced compared to the state of the art. At the same time, the yield increases because crystals produced with the innovative device require less processing time, so that a reduced probability of structural loss is achieved.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Neuerung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles.Further details, advantages and features of the innovation arise not only from the claims, the features to be derived from them - individually and/or in combination - but also from the following description of an embodiment shown in the drawing.

In der einzigen Figur ist eine Halterung (10) zum Züchten von Keimkristallen dargestellt. Die Halterung (10) ist topfförmig ausgebildet und weist eine zylindrische Umfangswandung (12) sowie eine geschlossene Stirnseite (14) mit gegenüberliegender Öffnung (16) aul, die einer nicht dargentellten Schmelze zugpwandt ist, aus der ein Kristall gezogen werden soll. Stirnseitig geht von der Halterung (10) eine Welle (18) aus, die sowohl zum Drehen der Halterung (10) als auch als Handhabe zum Transport eines von der Halterung (10/ aufgenommenen Kristalls dient.The single figure shows a holder (10) for growing seed crystals. The holder (10) is pot-shaped and has a cylindrical peripheral wall (12) as well as a closed front side (14) with an opening (16) opposite, which faces a melt (not shown) from which a crystal is to be pulled. A shaft (18) extends from the front side of the holder (10), which serves both to rotate the holder (10) and as a handle for transporting a crystal held by the holder (10).

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Von der Halterung (10) ist ein Keimkristall (20) aufgenommen, von dem ein Abschnitt dargestellt ist. Der Durchmesser des Keiinkristalles ist mit R angegeben und kann zwischen 12,5mm und 1,30mm liegen. Das Gewicht kann z.B. bis zu 60kg betragen.A seed crystal (20) is held in the holder (10), a section of which is shown. The diameter of the seed crystal is indicated by R and can be between 12.5 mm and 1.30 mm. The weight can be up to 60 kg, for example.

Stirnseitig ist die Innenwandung der Halterung (10) konusförmig ausgebildet (durch Bezugszeichen (22) angedeutet). Entsprechend ist der innenliegende Bereich (24) abgeschrägt, so daß eine Jientrierang des Keimkristalles (20) gewährleistet ist. Der Konus-. winkel oC sollte zwischen o.5° und 10° liegen.The inner wall of the holder (10) is conical on the front side (indicated by reference number (22)). The inner area (24) is bevelled accordingly so that alignment of the seed crystal (20) is ensured. The cone angle oC should be between 0.5° and 10°.

Um den Keimkristall (20) in der Halterung (10) zu befestigen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Zum eiuen kann der Keimkristall (20) stirnseitig von von der Stirnfläche (14) ausgehenden sechs bis zwölf Schrauben, durch (26) und (28) angedeutet, gehalten wenden. Dabei können die Schrauben (26) und (28) unmittelbar in wie Bohrungen (20) eingeschraubt oder aber zuvor können Ausnehmungen angebracht werden, in die Hochtemperaturkitt eingefüllt wird, in die dann die Schrauben (26) und (28) eingedreht werden. Ferner kann der Keimkristall (?0) seitlich über zwei bis acht Befestigungsschrauben (30) und (32) gehalten werden, die die Seitenwendung (12) diametral durchsetzen. Um eine punktuelle Auflage auf der Außenwandung des Keimkristalles (20) zu vermeiden, befindet sich zwischen der Spitze des Schraubelementes (30) bzw. (32) und dem Keimkristall (20) ein flächiges Element (34) und (36), das z.B. als Stahlband ausgebildet sein kann. Hierdurch bedingt können beim Anziehen der Schrauben (30) und (32) Beschädigungen des Keimkristalles (20) vermieden werden.There are various ways of securing the seed crystal (20) in the holder (10). For example, the seed crystal (20) can be held at the front by six to twelve screws, indicated by (26) and (28), extending from the front surface (14). The screws (26) and (28) can be screwed directly into the holes (20) or recesses can be made beforehand into which high-temperature cement is poured and into which the screws (26) and (28) are then screwed. Furthermore, the seed crystal (?0) can be held laterally by two to eight fastening screws (30) and (32) which pass diametrically through the side wall (12). In order to avoid a point-like contact with the outer wall of the seed crystal (20), a flat element (34) and (36), which can be designed as a steel band, for example, is located between the tip of the screw element (30) or (32) and the seed crystal (20). This prevents damage to the seed crystal (20) when tightening the screws (30) and (32).

Alternativ besteht die Möglichkeit, den Keimkristall (20) von einem oder mehreren Schraubelementen (38) radial durchsetzen zu lassen. In diesem Fall sind weitere Befestigungen wie die Schrauben (26), (28), (30) und (32) nicht erforderlich.Alternatively, it is possible to have one or more screw elements (38) pass radially through the seed crystal (20). In this case, further fastenings such as the screws (26), (28), (30) and (32) are not required.

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Unabhängig von der Art der Befestigung ist jedoch zu bemerken, daß der Keimkristall (20) im Bereich der Befestigungen geätzt ist, um die z.B. beim Bohren aufgetretenen Versetzungen, Verunreinigungen und ähnliches zu entfernen, die andernfalls in Richtung der Schmelze wandern könnten.Regardless of the type of attachment, it should be noted that the seed crystal (20) is etched in the area of the attachments in order to remove dislocations, impurities and the like that have occurred during drilling, for example, and which could otherwise migrate towards the melt.

Durch die erfindungsgemäße Halterung (10) können Keimkristalle von Durchmessern zwischen 2,5 und 26 cm und einem Gewicht von z.B. 60kg aufgenommen werden. Die von dem Keimki;stall ausgehenden gezüchteten Kristalle weisen dann in etwa den gleichenThe holder (10) according to the invention can accommodate seed crystals with diameters between 2.5 and 26 cm and a weight of e.g. 60 kg. The crystals grown from the seed crystal then have approximately the same

) urchmessar auf, -können selbstverständlich den Bedürfnissen) urchmessar, -can of course meet the needs

entsprechend einen größeren aLer auch kleineren Durchmesser erhalten-, so daß insbesondere die nach dem Stand der Technik bekannten Einschnürungen vermieden werden, die den Nachteil in sich bergen, daß die gezogenen Kristalle nur ein gewisses Gewicht aufweisen dürfen. DDurch den in etwa gleichbleibenden Durchmesser zwischen Keimkristall und gezüchtetem Kristall ergibt sich der weitere Vorteil, daß mit der Halterung (10) ein unmittelbarer Transport z.B. zu einer Sägestation erfolgen kann, ohne daß die Gefahr einer Beschädigung erfolgt. Schließlich braucht der Keimkristall in drr Halterung (10) nicht ausgewechselt zu werden. Vielmehr muß nur der gezüchtete Kristall abgeschnitten und sodann die Schnittfläche geätzt werden. Durch diea larger or smaller diameter can be obtained accordingly, so that the constrictions known from the state of the art are avoided, which have the disadvantage that the drawn crystals can only have a certain weight. The approximately constant diameter between the seed crystal and the grown crystal results in the further advantage that the holder (10) can be used to transport it directly, for example to a sawing station, without the risk of damage. Finally, the seed crystal in the holder (10) does not need to be replaced. Instead, only the grown crystal needs to be cut off and then the cut surface etched.

) Verwendung oin und desselben Keimkristalles für eine Vielzahl) Use of one and the same seed crystal for a variety of

für Kristallzüchtungen ergibt sich der besonders hervorzuhebende Vorteil der Reproduzierbarkeit der hergestellten Kristalle. Außerdem verkürzen sich die Zeiten zum Herstellen der Kristalle, so daß sich die Wahrscheinlichkeit des Strukturverlustes reduziert.For crystal growth, the particularly noteworthy advantage is the reproducibility of the crystals produced. In addition, the time required to produce the crystals is shortened, so that the probability of structural loss is reduced.

Zu den Abmessungen der Halterung (10' und des von dieser aufgenommenen Keimkristalls (20) sowie der Welle (18) sind folgende Dimensionen als bevorzugt anzugeben:Regarding the dimensions of the holder (10') and the seed crystal (20) held by it as well as the shaft (18), the following dimensions are to be specified as preferred:

R: 1,25 cm - 13 cm
L: 0,5 R - 5 R t: 0,2 R - 1,2 R. R: 1.25cm - 13cm
L: 0.5 R - 5 R t: 0.2 R - 1.2 R.

Claims

Hans J. Scheel

At the Desert 13

Erlen lake

Protection claims

1« Device for growing crystals, in particular according to the Czcchralski method, comprising melt present in a crucible and a crystal holder for a seed crystal for a cylindrical crystal to be pulled from the melt, the holder having an opening in the area facing the melt which is adapted to the cross section of the seed crystal,
characterized,
that the cross-sectional area of the opening (16) of the holder (10) approximately corresponds to the cross-sectional area of the grown crystal.

2. Device according to claim 1,

characterized,
that the crystal holder (10) is pot-shaped with an open bottom surface and cylindrical side wall (12), the effective inner height L of the holder to the radius R of the received seed crystal (20) being approximately related to 0.5 ^ L/R = 5.

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3. Device according to claim 1,

characterized,

that the crystal holder (10) is conical on the front side as a centering for the seed crystal (20) to be accommodated.

4· Device according to claim 1,

characterized,

that the seed crystal (20) is penetrated at the front side by fastening elements (26, 28) such as screws extending from the front surface (14) of the holder (10).

5. Device according to claim 4,

characterized,

that the screws (26, 28) are directly in the seed crystal

are screwed in.

6. Device according to claim 4,
characterized,

that the fastening elements (26, 28) run in recesses in the seed crystal (20) filled with high-temperature cement such as epoxy resin.

7. Device according to claim 1,
characterized,

that the seed crystal (20) is held by at least one fastening element (30, 32, 38) penetrating the side wall (12).

8. Device according to claim 7,
characterized,

that at least two fastening elements (30, 32) arranged diametrically opposite one another are supported directly or indirectly on the ^outer surface of the seed crystal (20).

9. Device according to claim 7,
characterized,

that a fastening element (38) radially penetrates the interior of the crystal holder (10).

10. Device according to claim 1,

characterized in that a tubular element (18) serving as a rotary shaft and/or handle for handling the crystal extends from the end face (U) of the holder (10).

11. Device according to claim 10,

characterized,

that the radius r of the tubular element (18) corresponds to that of the

The nucleus crystal R behaves approximately as 0.2 = r/R = 1.2.