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.