CH474032A - Quartz crucible for melting silicon - Google Patents

Quartz crucible for melting silicon

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CH474032A
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CH1429964A
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Theodor Dr Rummel
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Siemens Ag
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    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02Silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/10Crucibles or containers for supporting the melt

Description

  

  Quarztiegel     zum        Schmelzen    von     Silizium       Es ist bekannt, Silizium von höchstem Reinheitsgrad  in einem Tiegel unter Schutzgas oder im Vakuum zu  schmelzen, um daraus Einkristalle in     Stabform    oder       dendritisch    gewachsene Bänder zu ziehen, die zur Her  stellung elektronischer Bauelemente wie Gleichrichter  dioden,     gesteuerter    Gleichrichter, Transistoren oder dgl.  verwendet werden. Benutzt man zum Schmelzen einen  Quarztiegel, so sind die gewonnenen Einkristalle sauer  stoffhaltig, weil das geschmolzene Silizium, wenn es mit  Quarz     (Si02)    in Berührung kommt, dieses angreift und  daraus Sauerstoff aufnimmt.

   Die Sauerstoffaufnahme  bedeutet eine unerwünschte Verunreinigung des Sili  ziums und soll mit der Erfindung möglichst gering gehal  ten werden. Die Lösung dieser Aufgabe beruht auf dem  Gedanken, die Berührungsfläche zwischen dem schmelz  flüssigen Silizium und der Innenfläche des Quarztiegels  bei gegebenem Volumen zu     verringern.     



  Demgemäss betrifft die     Erfindung    einen Quarztiegel  zum Schmelzen von Silizium und ist dadurch gekenn  zeichnet, dass sich auf seiner Innenfläche ein Muster von  Vorsprüngen befindet mit entsprechenden Vertiefungen  von so geringer Weite, dass das     schmelzflüssige    Silizium  infolge seiner Oberflächenspannung nicht wesentlich in  die Vertiefungen eindringt. Infolgedessen füllt das flüs  sige Silizium die Vertiefungen nicht bis zu ihrem Boden  aus, sondern kommt hauptsächlich nur mit den Stirn  flächen der Vorsprünge in Berührung, so dass die  Summe aller dieser von der     Siliziumschmelze    benetzten  Teilflächen auf einen Bruchteil der Innenfläche des von  ihr ausgefüllten     Tiegelinnenraumes    beschränkt werden  kann.

   Auf diese Weise kann z. B. erreicht werden, dass  die Summe der     benetzbaren    Teilflächen höchstens     1/s     der Innenfläche des nutzbaren Füllraumes des Tiegels  ist. Es ist sogar möglich, die Summe der     Benetzungsflä-          chen    auf     1/1o    oder     weniger    derjenigen Fläche herabzu  setzen, die bei einem mit glatter Innenfläche ausgeführ  ten Tiegel gleicher Gestalt und Grösse von der Schmelze  benetzt wird. Zu diesem Zweck kann es besonders vor  teilhaft sein, wenn die Vorsprünge zu einer Kante oder  Spitze verjüngt sind.

      Ein Ausführungsbeispiel eines verbesserten Schmelz  tiegels aus Quarz ist in     Fig.    1 schematisch und verklei  nert dargestellt. Die     Fig.    2 und 3 zeigen in vergrössertem  Massstab Bruchstücke von Schmelztiegeln aus Quarz,  teilweise geschnitten, mit verschiedenartiger Ausbildung  der Vorsprünge auf ihrer Innenseite.  



  Nach     Fig.    1 ist der aus Quarz bestehende Schmelz  tiegel 2 flach, ähnlich einer     Speisenschüssel.    Diese flache  Form mit einer Weite, die wesentlich grösser ist als ihre  Tiefe, hat den Vorteil, dass der hydrostatische Druck  der Schmelzflüssigkeit verhältnismässig gering ist. Die  Innenseite des Tiegels 2 ist mit vielen engen Rillen 3 ver  sehen, die ein regelmässiges Muster bilden. In die Rillen  3 kann die Schmelzflüssigkeit nicht vollständig bis zum       Rillenboden    eindringen. Dies ist in     Fig.    2 durch     Ver-          grösserung    deutlich gemacht. Man erkennt die Rillen 3  und die Rippen 3a auf der Innenseite des Tiegels.

   Die  Rippen verjüngen sich jeweils zu einer verhältnismässig  scharfen Innenkante. Das flüssige Silizium     Si    legt sich  nur teilweise um diese Kante herum, durch seine Ober  flächenspannung wird es daran gehindert, vollständig in  die Rillen 3 einzudringen, so dass nur ein sehr kleiner  Bruchteil von der gesamten Innenfläche des von der  Schmelze ausgefüllten Teiles des     Tiegelinnern    benetzt  wird. Auf diese Weise kann der benetzte Flächenanteil  auf     1/1o    oder weniger der Gesamtfläche des von der  Schmelze ausgefüllten Teiles des     Tiegelinnenraumes    ver  mindert werden. In entsprechendem Masse wird auch  die Sauerstoffaufnahme der     Siliziumschmelze    herabge  setzt.  



       Fig.    1 zeigt den Tiegel 2 mit Schmelzflüssigkeit 4 bis  zur nutzbaren Füllhöhe gefüllt. Günstige Verhältnisse  erhält man beispielsweise, wenn der grösste Durchmesser  des nutzbaren Füllraumes des Tiegels 2 mindestens drei  mal so gross ist wie seine nutzbare Füllhöhe     hm".    In       Fig.    1 ist ferner durch Pfeile 7 die Energiezufuhr sche  matisch angedeutet, die notwendig ist, um das Silizium  zu schmelzen bzw. in schmelzflüssigem Zustand zu hal  ten. Diese Heizenergie kann in an sich bekannter Weise  als elektrische Energie auf induktivem Wege mittels      einer nicht dargestellten     Hochfrequenzspule    oder als von  einem elektrischen Heizer erzeugte Wärmeenergie durch  Leitung oder/und Strahlung zugeführt werden.

   Zwecks  Energieersparnis kann oberhalb des Tiegels ein Wärme  schirm 8 vorgesehen sein, der vorteilhaft aus Metall be  steht. Er hat in der Mitte eine Öffnung, durch welche  mittels eines     Keimkristalles    6, der in die     Schmelze    4  getaucht     wird,    ein einkristalliner     Siliziumstab    nach oben  abgezogen werden kann. Dieser Ziehvorgang ist durch  den Pfeil 9 schematisch angedeutet. Der     Wärmeschirm     kann auch z. B. seitlich     herausklappbar    eingerichtet sein.  Im eingedrehten Zustand wird     aufgeschmolzen,    im seit  lich     herausgeklappten    bzw. herausgedrehten Zustand  wird gezogen.  



  Statt der in     Fig.    1 und 2 dargestellten Rillen- oder  Rippenmuster können auf der Innenseite des Tiegels  auch Noppen oder Höcker, wie     in        Fig.    3 dargestellt, an  gebracht sein, am besten ebenfalls in Form eines     regel-          mässigen    Musters. Die einzelnen Höcker 3b sind, wie in  der Figur zu erkennen ist, jeweils zu einer Spitze ver  jüngt. Die Höcker stehen so eng beieinander, dass das  geschmolzene     Silizium    nicht bis zum Boden der dazwi  schen befindlichen     Vertiefungen    gelangen kann, sondern  jeweils nur einen kleinen Flächenanteil an der Spitze des  Höckers benetzt.  



  Die Vorsprünge und Vertiefungen werden am besten       gleich    bei Herstellung der Quarztiegel mittels entspre  chender Formen erzeugt. Nachträglich     können    sie bei  einem glatten Tiegel dadurch erzeugt werden, dass die  ser auf     etwa    1500 bis 1550  erhitzt und in eine passende       Graphitform    eingepresst wird. Das Einpressen kann  z. B. mit einem Gegenstempel unter Zuhilfenahme einer       Graphitpulverfüllung    geschehen. Durch den Stempel  werden die einzelnen Partien nacheinander angepresst.  Ist die Form in mehrere Teile unterteilt, so kann der  fertige Tiegel aus der Form ohne Beschädigung der letz-         teren    herausgenommen werden.

   Eine     andere        Möglichkeit     der     nachträglichen    Herstellung der Höcker ist durch die  Verwendung einer oder mehrerer Spitzen mit passender  Gegenmatrize gegeben,     mit    denen nacheinander die ein  zelnen Teile der     Tiegelwandung    unter entsprechendem  Weiterbewegen des erhitzten Tiegels     verpresst    werden.       Schliesslich    können     einzelne    Quarzspitzen durch einen  z. B. aus Graphit bestehenden Halter von     innen    an die       Tiegelwandung    angedrückt und mit Hilfe einer     Flamme     bei ca. 1650  C angeschweisst werden.



  Quartz crucible for melting silicon It is known to melt silicon of the highest degree of purity in a crucible under protective gas or in a vacuum in order to pull single crystals in rod form or dendritically grown ribbons, which diodes for the manufacture of electronic components such as rectifiers, controlled rectifiers, transistors or the like. Can be used. If a quartz crucible is used for melting, the single crystals obtained contain oxygen because the molten silicon, when it comes into contact with quartz (SiO2), attacks it and absorbs oxygen from it.

   The uptake of oxygen means undesirable contamination of the silicon and should be kept as low as possible with the invention. The solution to this problem is based on the idea of reducing the contact area between the molten silicon and the inner surface of the quartz crucible for a given volume.



  Accordingly, the invention relates to a quartz crucible for melting silicon and is characterized in that there is a pattern of projections on its inner surface with corresponding depressions of such a small width that the molten silicon does not significantly penetrate into the depressions due to its surface tension. As a result, the liquid silicon does not fill the depressions to the bottom, but mainly only comes into contact with the end faces of the projections, so that the sum of all these partial surfaces wetted by the silicon melt is limited to a fraction of the inner surface of the crucible interior filled by it can be.

   In this way, for. B. can be achieved that the sum of the wettable partial areas is at most 1 / s of the inner surface of the usable filling space of the crucible. It is even possible to reduce the sum of the wetting areas to 1/10 or less of the area which is wetted by the melt in a crucible of the same shape and size with a smooth inner surface. For this purpose, it can be particularly advantageous if the projections are tapered to an edge or point.

      An embodiment of an improved melting crucible made of quartz is shown schematically in Fig. 1 and reduced size. FIGS. 2 and 3 show, on an enlarged scale, fragments of crucibles made of quartz, partially cut, with different designs of the projections on their inside.



  According to Fig. 1, the crucible 2 made of quartz is flat, similar to a food bowl. This flat shape with a width that is significantly greater than its depth has the advantage that the hydrostatic pressure of the molten liquid is relatively low. The inside of the crucible 2 is seen with many narrow grooves 3 ver, which form a regular pattern. The molten liquid cannot penetrate completely into the grooves 3 up to the groove bottom. This is made clear in FIG. 2 by enlarging it. One recognizes the grooves 3 and the ribs 3a on the inside of the crucible.

   The ribs each taper to a relatively sharp inner edge. The liquid silicon Si only partially wraps around this edge; its surface tension prevents it from completely penetrating into the grooves 3, so that only a very small fraction of the entire inner surface of the part of the crucible interior filled by the melt is wetted . In this way, the wetted area portion can be reduced to 1/10 or less of the total area of the part of the crucible interior filled with the melt. The oxygen uptake of the silicon melt is also reduced to a corresponding extent.



       Fig. 1 shows the crucible 2 filled with molten liquid 4 up to the usable filling level. Favorable conditions are obtained, for example, when the largest diameter of the usable filling space of the crucible 2 is at least three times as large as its usable filling height hm ". In FIG To melt silicon or to keep it in a molten state. This heating energy can be supplied in a known manner as electrical energy inductively by means of a high-frequency coil (not shown) or as thermal energy generated by an electrical heater through conduction and / or radiation.

   In order to save energy, a heat shield 8 can be provided above the crucible, which is advantageously made of metal. It has an opening in the middle through which a single-crystal silicon rod can be pulled off upwards by means of a seed crystal 6 which is dipped into the melt 4. This drawing process is indicated schematically by arrow 9. The heat shield can also, for. B. be set up to fold out laterally. In the screwed-in state, it is melted, in the Lich folded or unscrewed state, it is pulled.



  Instead of the groove or rib pattern shown in FIGS. 1 and 2, knobs or bumps, as shown in FIG. 3, can also be attached to the inside of the crucible, preferably also in the form of a regular pattern. As can be seen in the figure, the individual humps 3b are each tapered to a point. The cusps are so close together that the molten silicon cannot get to the bottom of the recesses in between, but only wets a small area at the top of the cusp.



  The projections and depressions are best created when the quartz crucible is manufactured using appropriate molds. With a smooth crucible, they can be generated later by heating the water to around 1500 to 1550 and pressing it into a suitable graphite mold. Pressing can be done, for. B. done with a counter punch with the aid of a graphite powder filling. The individual parts are pressed one after the other by the stamp. If the mold is divided into several parts, the finished crucible can be removed from the mold without damaging the latter.

   Another possibility of the subsequent production of the cusps is given by using one or more tips with a matching counter die, with which the individual parts of the crucible wall are pressed one after the other while moving the heated crucible further. Finally, individual quartz tips can be replaced by a z. B. made of graphite holder pressed from the inside against the crucible wall and welded with the help of a flame at approx. 1650 C.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH Quarztiegel zum Schmelzen von Silizium, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf seiner Innenfläche ein Mu ster von Vorsprüngen befindet mit entsprechenden Ver tiefungen von so geringer Weise, dass das schmelzflüs sige Silizium infolge seiner Oberflächenspannung nicht wesentlich in die Vertiefungen eindringt. UNTERANSPRÜCHE 1. Quarztiegel nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Summe der benetzbaren Teilflä chen höchstens ein Fünftel der Innenfläche des nutz baren Füllraumes des Tiegels ist. 2. PATENT CLAIM Quartz crucible for melting silicon, characterized in that there is a pattern of projections on its inner surface with corresponding depressions of such a small manner that the melting silicon does not penetrate significantly into the depressions due to its surface tension. SUBClaims 1. Quartz crucible according to claim, characterized in that the sum of the wettable partial surfaces is at most a fifth of the inner surface of the usable filling space of the crucible. 2. Quarztiegel nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Vorsprünge zu einer Kante oder Spitze verjüngt sind. 3. Quarztiegel nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass seine Weite grösser ist als seine Tiefe. 4. Quarztiegel nach Unteranspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, dass der grösste Durchmesser seines nutz baren Füllraumes mindestens dreimal so gross ist wie seine nutzbare Füllhöhe. Quartz crucible according to claim, characterized in that the projections are tapered to an edge or point. 3. Quartz crucible according to claim, characterized in that its width is greater than its depth. 4. Quartz crucible according to dependent claim 3, characterized in that the largest diameter of its usable filling space is at least three times as large as its usable filling height.
CH1429964A 1964-01-13 1964-11-04 Quartz crucible for melting silicon CH474032A (en)

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