DE102009015236A1

DE102009015236A1 - Sinterkörper

Info

Publication number: DE102009015236A1
Application number: DE102009015236A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr. Wagner; Florian Arzberger
Original assignee: HC Starck GmbH
Current assignee: Kyocera Fineceramics Europe GmbH
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2009-04-01
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2029-04-02
Also published as: HK1164383A1; EP2414566A1; WO2010112259A1; CN102388169A; CN102388169B; JP2012522710A; US20120037065A1; DE102009015236B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Sinterkörper zur Herstellung für die Herstellung von Tiegeln für die Halbleiterherstellung geeignetem Silizium, wobei der Tiegel aus mehreren Bauteilen aufgebaut ist und mindestens einen unverschlossenen Fügespalt aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Sinterkörper aus anorganischen Materialien, insbesondere nitridgebundenem Siliziumnitrid.
Für Tiegel aus reinem Siliziumnitrid gibt es im Wesentlichen zwei Einsatzmöglichkeiten. Eine Verwendung ist der Ersatz des Brennhilfsmittels Graphit, für die Herstellung eines Brennhilfsmittels aus Siliziumnitrid, welches bei der Produktion von Si₃N₄-Bauteilen eingesetzt wird, zum anderen für Nichteisenschmelzen, wie zum Beispiel Aluminium- und Siliziumschmelzen.
Bei der Herstellung von Si₃N₄-Bauteilen werden derzeit Tiegel und Platten aus Graphit eingesetzt. Für die Qualität des Sinterprodukts ist im hohen Maß die Ofenatmosphäre mit verantwortlich. Da Si₃N₄ dazu neigt, mit dem Kohlenstoff des Graphits zu reagieren, werden die Innenwände und Brennplatten aus Graphit bevorzugt mit teurem Bornitrid beschichtet, um diese Reaktion zu unterdrücken. Arteigene Brennhilfsmittel, wie Tiegel bzw. Platten aus Siliziumnitrid für die Herstellung von Bauteilen als Siliziumnitrid, sind daher bevorzugt.
In der Photovoltaik als auch zum Ziehen von Siliziumeinkristallen werden derzeit Tiegel aus Quarz eingesetzt, welche nur einmal verwendet werden können. Mit der vorliegenden Erfindung werden Tiegel für eine mehrfache Verwendung angestrebt, um eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit im Vergleich mit einem herkömmlichen Quarztiegel zu erreichen.
Eine Lösung für dieses Problem wären Tiegel aus Siliziumnitrid. Freistehende Tiegel aus einem Stück weisen jedoch das Problem auf, dass diese während der Verwendung reißen können, da Siliziumnitrid wie viele keramische Materialien gegen Zugbeanspruchung sensibel ist.
Die Herstellung von freistehenden Tiegeln der kommerziell gewünschten Größe von ca. 70 cm × 70 cm bis ca. 90 cm × 90 cm im Grundmaß ist außerdem schwierig, da bei derart sperrigen Grünkörpern die Brennöfen stark überdimensioniert werden müssen.
WO 2007/148986 und WO 2007/148987 zeigen freistehende Tiegel aus Siliziumnitrid und ein Verfahren zur Herstellung. Diese Schriften adressieren das obige Problem der schwierigen Herstellbarkeit, indem die Tiegel aus mehreren ineinandergreifenden Platten vor dem Brennen zusammengesetzt und mit einer arteigenen, dünnflüssigen Paste abgedichtet werden, welche zusammen nach einem Reaktionsbrand einen frei stehenden Tiegel aus Einzelplatten ergeben. Durch die hohe Steifigkeit der Tiegeleckkanten besteht bei dieser Bauweise jedoch die Gefahr, dass der Kantenbereich unter Zugspannung gerät und Risse entstehen können.
Es war die Aufgabe der vorliegenden Erfindung neuartige Tiegel bereitzustellen, welche in kostengünstiger Weise hergestellt werden können, wobei insbesondere in herkömmlichen Öfen ohne großes Totvolumen gearbeitet werden kann und wobei gleichzeitig das Reißen der Tiegel bei der Benutzung vermieden werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch Tiegel gemäß der Patentansprüche.
Es wurde bisher angenommen, dass die Tiegel stets dicht verschlossen sein müssen um ein Ausfließen des verflüssigten Siliziums und damit einen Verlust oder eine Verunreinigung zu verhindern, was entweder über eine besondere Abdichtung der Spalten oder aber ein dichtes Aneinanderfügen von Siliziumnitridplatten bewirkt werden muss.
Es wurde nun überraschend gefunden, dass diese nicht erforderlich ist.
Zum Ersten muss der Tiegel nicht stets, sondern erst bei Vorliegen der Siliziumschmelze dicht schließen, da das Spaltmaß des Fügespaltes lediglich klein genug sein muss um ein Eindringen der Pulverschüttung zu verhindern. Zum Zweiten muss keine vollständige Abdichtung vorliegen, da flüssiges Silizium sich durch sein Benetzungsverhalten und seine Oberflächenspannung anders als andere Flüssigkeiten wie z. B. Wasser verhält, so dass schmale, unverschlossene Fügespalten im Tiegel, welche gleichsam als Dehnungsfugen wirken und so das Reißen verhindern können, kein Ausfließen des Siliziums ermöglichen.
Der Erfindung liegt daher der Gedanke zu Grunde, einen Tiegel aus einzelnen Platten so aneinanderzufügen, dass sich die Fügespalten erst durch die Wärmeausdehnung des Materials schließen und so auftretende mechanische Spannungen, die zum Bruch des Tiegels führen können, vermieden werden. Weiter liegt der Erfindung der Gedanke zu Grunde, dass der Fügespalt beim Auftreten des geschmolzenen Siliziums nicht vollständig geschlossen sein muss, sondern es ausreichend ist, wenn dieser Fügespalt eng und lang genug ist, dass das flüssige Silizium durch sein Benetzungsverhalten und seine Oberflächenspannung nicht austreten kann. Hierdurch wird bewirkt, dass die Platten sich durch die eigene Wärmeausdehnung nicht gegenseitig unter Druck setzen und so unerwünschte Zugbeanspruchungen erzeugen, welche zum Riss bzw. Bruch des Tiegels oder von Tiegelteilen führen. Hierdurch wird bewirkt, dass die Tiegel gemäß der Erfindung mehrfach wiederverwendet werden können.
Die Erfindung betrifft somit einen Tiegel zur Herstellung von für die Herstellung von für die Halbleiterherstellung geeignetem Silizium, wobei der Tiegel aus mehreren Bauteilen aufgebaut ist und mindestens einen unverschlossenen Fügespalt aufweist. Der Fügespalt hat bei der maximalen Einsatztemperatur im Bereich von 1400°C bis 1600°C eine Breite von im Allgemeinen etwa 0,05 mm bis 0,5 mm, vorteilhaft insbesondere 0,1 mm bis 0,2 mm.
Der Fügespalt kann in der Draufsicht verschiedene Formen aufweisen, im einfachsten Fall als stumpfer Stoß, vorteilhaft jedoch als Gehrungsschnitt (50), Hinterschnitt (60), Schwalbenschwanz oder Abwandlungen einer Schwalbenschwanzverbindung (70), als Nut- und Feder-Verbindung oder als Abwandlungen einer Nut- und Feder-Verbindung ausgeführt sein. Ausführungen dieser Fügespalten sind 3 abgebildet. Bei Tiegeln mit einer kleinen absoluten Ausdehnung ist eine Verbindung als stumpfer Stoß bzw. rechtwinklige Stoßstellen ausreichend. Bei größeren Tiegeln sind die komplexeren Ausführungen der Fügespalten vorteilhaft. Die Bauteile des Tiegels werden gemäß der Erfindung von einem Stützkäfig in der gewünschten Form gehalten.
Hierbei können die Seitenwände und/oder Bodenteile ein- oder mehrteilig ausgeführt sein und vorteilhaft auch untereinander über Fügespalten verbunden sein. Die mehrteilige Ausführung jeweils der einzelnen Seitenwände und Bodenteile ist bei größeren Tiegeln vorteilhaft, insbesondere bei den kommerziell erwünschten Größen mit Grundmaßes im Bereich von etwa 70 cm × 70 cm bis etwa 90 cm × 90 cm. Die Mehrteilung der Tiegelwände und des Bodens erlaubt, dass sich die benötigte Gesamtausdehnung auf mehrere Fügespalten verteilt, so dass die Fügespalten bei Raumtemperatur nicht zu groß werden und somit ein Eindringen der Ausgangsstoffe vermieden werden, die beispielsweise als Pulver- oder Granulatschüttung vorliegen können. Die Anpassung der Form und Breite der Fügespalten kann unter Berücksichtigung der verwendeten Materialien für Tiegel und Stützkäfig, der in der Pulverschüttung auftretenden Teilchengrößen und der Größe des Tiegels in einfacher Weise vorgenommen werden.
Wesentlich bei der vorliegenden Erfindung und der Vereinfachung des Aufbaus gegenüber dem Stand der Technik ist bei der vorliegenden Erfindung, dass der Tiegel bzw. die Wandungen des Tiegels nicht unbedingt zur mechanischen Stabilität der Konstruktion beitragen müssen, da diese in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung von einem Stützkäfig bewirkt werden kann.
Dieser Stützkäfig kann im Prinzip aus allen Materialien hergestellt werden, welche bei den zum Schmelzen von Silizium geeigneten hohen Temperaturen keine Beeinträchtigung ihrer mechanischen Stabilität und keine Freisetzung flüchtiger Verunreinigungen zeigen. Aufgrund des unterschiedlichen Ausdehnungsverhaltens von den Bauteilen des Tiegels und des Stützkäfigs, wenn diese aus unterschiedlichen Materialien bestehen, ist das Spaltmaß eine Funktion der thermischen Ausdehnungskoeffizienten beider Materialien.
Geeignete Materialien für den Stützkäfig sind beispielsweise Graphit oder Molybdän. Der Stützkäfig kann sowohl monolithisch als auch mehrteilig ausgeführt sein.
Beispielsweise kann der Tiegel aus planaren Elementen zusammengesetzt werden, welche in einen Graphittiegel eingelegt werden, was bevorzugt ist. Vorteilhaft kann auch ein Rahmen aus L-förmigen Profilen verwendet werden um die planaren Elemente zu halten. Vorteilhaft betrifft die Erfindung Tiegel zur Herstellung von für die Halbleiterherstellung geeignetem Silizium, bestehend aus einem Stützkäfig (1), mindestens einem Bodenelement (2) sowie zwei Seitenwänden (3) und zwei Seitenwänden (4) in alternierender Abfolge, wobei mindestens zwei Seitenwände (4) an mindestens einer Kante so beschaffen sind, dass sie mit der Seitenwand (3) eine formschlüssige Verbindung bilden, wobei alle Seitenwände (3) und (4) stumpf auf dem Bodenelement aufsitzen und so gemeinsam einen Hohlraum (5) bilden und alle Bodenelemente und Seitenwände in Kontakt mit dem Stützkäfig stehen und von diesem in Form gehalten werden. 1 zeigt einen derartigen Tiegel gemäß der Erfindung. Im Tiegel gemäß der Erfindung können die Seitenwände (3) und Seitenwände (4) auch jeweils die gleiche Form besitzen.
Der Tiegel gemäß der Erfindung kann auch so ausgestaltet sein, dass mindestens zwei Seitenwände (4) Stufen an mindestens einer Kante aufweisen, welche über eine Kante mindestens einer Seitenwand (3) greifen und einen Formschluß mit der Kante der Seitenwand (3) bilden.
Es können die Seitenwände (3) und Seitenwände (4) miteinander über einen Gehrungsschnitt verbunden sind.
Die Kanten der Seitenwände (3) und/oder Seitenwände (4) können derart abgeschnitten sein, dass zwischen der von den Seitenwänden (3) und (4) gebildeten Ecke und der Ecke des Stützkäfigs (1) ein Hohlraum (5) ausgebildet ist.
Im Tiegel gemäß der Erfindung können die Flächen der Seitenwände (3) und (4) stumpf auf dem Bodenelement (2) aufsitzen und einen derartigen Winkel zur Flächennormalen aufweisen, dass die Wandelemente einen gleichschenkligen Trapezoiden bilden, wobei die oberen und unteren Seitenkanten parallel zueinander verlaufen und die Seitenkanten deckungsgleiche Winkel bilden.
Vorteilhaft sind die Seitenwände (3) und (4) und das Bodenelement (2) ohne Verwendung einer Dichtungsmasse zusammengefügt.
Im Tiegel gemäß der Erfindung, der in 1 abgebildet ist, sind die zwei Seitenwände (3) und zwei Seitenwände (4) in alternierender Abfolge angeordnet, wenn mindestens zwei Seitenwände (4) Stufen an zwei gegenüberliegenden Kanten aufweisen, welche über jeweils eine Kante einer Seitenwand (3) greifen und einen Formschluss mit der Kante der Seitenwand (3) bilden.
In Anbetracht der oben beschriebenen Größe der kommerziell gewünschten Tiegel (ca. 70 cm × 70 cm bis ca. 90 cm × 90 cm im Grundmaß) ist es sinnvoll, dass das Bodenelement (2) aus mehreren Bodenteilen besteht und/oder die Seitenwände (3) aus mehreren Seitenteilen (30) bestehen.
In einen solchen Tiegel gemäß der Erfindung können die Seitenwände (4) ebenfalls aus mehreren Seitenteilen (40) bestehen.
In Tiegeln gemäß der Erfindung können die Bodenteile (20) und/oder Seitenteile (30) und/oder Seitenteile (40) des Bodenelements (2) bzw. der Seitenwände jeweils untereinander verbunden, sein über einen stumpfen Stoß, einen Gehrungsschnitt (50), einen Hinterschnitt (60) oder Abwandlungen einer Schwalbenschwanzverbindung (70). Ein solcher Tiegel ist in 2 abgebildet. Vorteilhaft kann es sich bei dem Stützkäfig um einen Graphittiegel handeln. Ganz besonders vorteilhaft bestehen alle Teile aus nitridgebundenem Siliziumnitrid (NSN).
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Tiegels für die Herstellung von für die Halbleiterherstellung geeignetem Silizium wie oben beschrieben, welches die Schritte aufweist:

– Mischen von Siliziumnitridpulver mit Siliziumpulver und gegebenenfalls organischen Bindemitteln, um eine Pulvermischung zu erhalten;
– Formen von Grünkörpern aus der Pulvermischung, welche die Seitenwände (3), (4), Bodenelemente (2), Seitenteile (30), (40) oder Bodenteile (20) ergeben;
– gegebenenfalls mechanische Bearbeitung der Grünkörper;
– Wärmebehandlung der gegebenenfalls mechanisch bearbeiteten Grünkörper in einer Stickstoffatmosphäre, wobei die Grünkörper durch Nitridierung des Siliziumpulvers in stickstoffgebundenes Siliziumnitrid umgewandelt werden.

In dem Verfahren enthält die Pulvermischung vorteilhaft 20 bis 35 Gew.-% Siliziumpulver, bezogen auf den anorganischen Feststoffanteil des Pulvers, 80 bis 65 Gew.-% Siliziumnitridpulver einer Korngrößenverteilung mit D50 < 1,0 μm, bezogen auf den anorganischen Feststoffanteil des Pulvers, und mindestens einem organischen Bindemittel in einer Menge von 3 bis 10 Gew.-% der organischen Feststoffe der Pulvermischung.
Das Formen der Grünkörper kann allgemein durch übliche keramische Formgebungsverfahren wie Naßpressen, Schlickergießen oder vorteilhaft durch Trockenpressen erfolgen.
In diesem Verfahren zur Herstellung der Tiegel gemäß der Erfindung werden die erhaltenen Seitenwände (3), (4), Bodenelemente (2), Seitenteile (30), (40) oder Bodenteile (20) in dem Stützkäfig (1) anschließend derart angeordnet, dass die Teile den Tiegel ergeben.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung von zur Halbleiterherstellung geeignetem Silizium, welches die Schritte aufweist:

– Bereitstellen eines Tiegels nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14;
– Kristallisierung von zur Halbleiterherstellung geeignetem Silizium, und optional auch metallurgisches Siliziummaterial in dem Tiegel.

In diesem Verfahren zur Herstellung von zur Halbleiterherstellung geeignetem Silizium können die Wandungen des Tiegels zumindest teilweise mit Graphit oder Kohlenstoff isoliert sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2007/148986 [0007]
- WO 2007/148987 [0007]

Claims

Tiegel zur Herstellung von für die Halbleiterherstellung geeignetem Silizium, wobei der Tiegel aus mehreren Bauteilen aufgebaut ist und mindestens einen unverschlossenen Fügespalt aufweist.
Tiegel zur Herstellung von für die Halbleiterherstellung geeignetem Silizium nach Anspruch 1, bestehend aus einem Stützkäfig (1), mindestens einem Bodenelement (2) sowie zwei Seitenwänden (3) und zwei Seitenwänden (4) in alternierender Abfolge, wobei mindestens zwei Seitenwände (4) an mindestens einer Kante so beschaffen sind, dass sie mit der Seitenwand (3) eine formschlüssige Verbindung bilden, wobei alle Seitenwände (3) und (4) stumpf auf dem Bodenelement aufsitzen und so gemeinsam einen Hohlraum (5) bilden und alle Bodenelemente und Seitenwände in Kontakt mit dem Stützkäfig stehen und von diesem in Form gehalten werden.
Tiegel nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Seitenwände (3) und Seitenwände (4) jeweils die gleiche Form besitzen.
Tiegel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens zwei Seitenwände (4) Stufen an mindestens einer Kante aufweisen, welche über eine Kante mindestens einer Seitenwand (3) greifen und einen Formschluß mit der Kante der Seitenwand (3) bilden.
Tiegel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Seitenwände (3) und Seitenwände (4) miteinander über einen Gehrungsschnitt verbunden sind.
Tiegel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kanten der Seitenwände (3) und/oder Seitenwände (4) derart abgeschnitten sind, dass zwischen der von den Seitenwänden (3) und (4) gebildeten Ecke und der Ecke des Stützkäfigs (1) ein Hohlraum (5) ausgebildet ist.
Tiegel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Flächen der Seitenwände (3) und (4), welche stumpf auf dem Bodenelement (2) aufsitzen einen derartigen Winkel zur Flächennormalen aufweisen, dass die Wandelemente einen gleichschenkligen Trapezoiden bilden, wobei die oberen und unteren Seitenkanten parallel zueinander verlaufen und die Seitenkanten deckungsgleiche Winkel bilden.
Tiegel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Seitenwände (3) und (4) und das Bodenelement (2) ohne Verwendung einer Dichtungsmasse zusammengefügt sind.
Tiegel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, wobei die zwei Seitenwänden (3) und zwei Seitenwänden (4) in alternierender Abfolge angeordnet sind, wobei mindestens zwei Seitenwände (4) Stufen an zwei gegenüberliegenden Kanten aufweisen, welche über jeweils eine Kante einer Seitenwand (3) greifen und einen Formschluß mit der Kante der Seitenwand (3) bilden.
Tiegel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Bodenelement (2) aus mehreren Bodenteilen besteht.
Tiegel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Seitenwände (3) aus mehreren Seitenteilen (30) bestehen.
Tiegel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, wobei, die Seitenwände (4) aus mehreren Seitenteilen (40) bestehen.
Tiegel nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Bodenteile (20) und/oder Seitenteile (30) und/oder Seitenteile (40) des Bodenelements (2) bzw. der Seitenwände jeweils untereinander verbunden sind über einen stumpfen Stoß, einen Gehrungsschnitt (50), einen Hinterschnitt (60) oder Abwandlungen einer Schwalbenschwanzverbindung (70).
Tiegel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, wobei es sich bei dem Stützkäfig um einen Graphittiegel handelt.
Tiegel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, wobei alle Teile aus nitridgebundenem Siliziumnitrid (NSN) bestehen.
Tiegel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Fügespalten bei der maximalen Einsatztemperatur im Bereich von 1400°C bis 1600°C eine Breite von etwa 1 mm oder weniger, vorteilhaft 0,05 mm bis 0,5 mm, insbesondere 0,1 mm bis 0,2 mm aufweisen.
Verfahren zur Herstellung eines Tiegels nach einem der Ansprüche 1 bis 16, welches die Schritte aufweist: – Mischen von Siliziumnitridpulver mit Siliziumpulver und gegebenenfalls organischen Bindemitteln, um eine Pulvermischung zu erhalten; – Formen von Grünkörpern aus der Pulvermischung, welche die Seitenwände (3), (4), Bodenelemente (2), Seitenteile (30), (40) oder Bodenteile (20) ergeben; – gegebenenfalls mechanische Bearbeitung der Grünkörper; – Wärmebehandlung der gegebenenfalls mechanisch bearbeiteten Grünkörper in einer Stickstoffatmosphäre, wobei die Grünkörper durch Nitridierung des Siliziumpulvers in stickstoffgebundenes Siliziumnitrid umgewandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Pulvermischung 20 bis 35 Gew.-% Siliziumpulver, bezogen auf den anorganischen Feststoffanteil des Pulvers, 80 bis 65 Gew.-% Siliziumnitridpulver einer Korngrößenverteilung mit D50 < 1,0 μm, bezogen auf den anorganischen Feststoffanteil des Pulvers, und mindestens einem organischen Bindemittel in einer Menge von 3 bis 10 Gew.-% der organischen Feststoffe der Pulvermischung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei das Formen der Grünkörper durch Trockenpressen erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 19, wobei die die Seitenwände (3), (4), Bodenelemente (2), Seitenteile (30), (40) oder Bodenteile (20) in einem Stützkäfig (1) derart angeordnet werden, dass diese Teile den Tiegel ergeben.
Verfahren zur Herstellung von zur Halbleiterherstellung geeignetem Silizium, welches die Schritte aufweist: Bereitstellen eines Tiegels nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17; – Kristallisierung von zur Halbleiterherstellung geeignetem Silizium, und optional auch metallurgisches Siliziummaterial in dem Tiegel.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Wandungen des Tiegels zumindest teilweise mit Graphit oder Kohlenstoff isoliert sind.