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Die Erfindung betrifft eine Einkristallzüchtungsvorrichtung für das Ziehen von Halbleiterkristallen nach dem Czochralski-Verfahren. Der Anwendungsbereich umfasst dabei sowohl die Photovoltaik- als auch die Halbleiterindustrie.
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Zur Herstellung von Silizium-Einkristallen sind verschiedene Verfahren bekannt, wobei die Kristallzüchtung aus der Schmelze, aus der Gasphase oder aus der Lösung erfolgen kann. Zwei der bedeutsamsten Verfahren in diesem Zusammenhang sind das Czochralski-Verfahren und das Float-Zone-Verfahren. Während mit dem Czochralski-Verfahren das Ziehen von Kristallen mit größerem Durchmesser bei gleichzeitig geringeren Herstellkosten möglich ist, besteht ein wesentlicher Vorteil des Float-Zone-Verfahrens darin, dass ein wesentlich geringerer Grad an Verunreinigungen durch Fremdstoffe im Kristall vorliegt.
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Aus dem Stand der Technik sind Einkristallzüchtungsvorrichtungen für das Ziehen von Kristallen nach den Czochralski-Verfahren in unterschiedlichem Aufbau bekannt.
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Bereits aus der
DE 1 719 516 B ist eine Vorrichtung zum Herstellen von aus Halbleitermaterial bestehenden Einkristallen durch Kristallziehen aus einer Schmelze bekannt. Die Besondeheit hierbei stellt der Aufbau, bestehend aus einem mittleren Ziehtiegel und zwei äußeren Tiegeln zum Nachführen des Halbleitermaterials, dar. Mit Hilfe einer verstärkten Heizung an Stellen erhöhter Wärmeabstrahlung und durch die Verwendung hitzebeständiger Strahlungsbleche soll erreicht werden, dass die Isothermen innerhalb der Schmelze konzentrisch verlaufen und insbesondere die Versetzungsdichte reduziert wird.
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Die Druckschrift
DE 198 25 745 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Ziehen von Silizium-Einkristallen nach dem Czochralski-Verfahren. Hierbei setzt sich der Tiegel aus einem innenliegenden Quarztiegel zur Aufnahme der Silizium-Schmelze und einem außenliegenden Graphittiegel zum Schutz des Quarztiegels zusammen. Umschlossen wird der Tiegel von einer Heizvorrichtung sowie einer Wärmeisolierung. Ein Nachteil dieses Aufbaus, bestehend vorwiegend aus Graphitteilen, ist es jedoch, dass dieser ohne geeignete Gegenmaßnahmen eine Erhöhung der Verunreinigungen durch Kohlenstoffpartikel bewirkt. Hierbei ist es als Gegenmaßnahme aus dem Stand der Technik bekannt, durch Beströmungen mit einem innerten Gas, insbesondere Argon, die Konzentration von Kohlenstoff und Kohlenstoffzwischenverbindungen zumindest zu reduzieren.
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Ferner beschreibt auch die Druckschrift
JP H06 293 589 A eine Vorrichtung zur Einkristallzüchtung nach dem Czochralski-Verfahren mit gattungsgemäßem Aufbau, bestehend aus einem Tiegel, einem Suszeptor, einem Heizer sowie einer Isolierung. Der Heizer wird zudem von einem einteilig ausgebildeten, keramischen Hitzeschild umgeben. Somit soll die Ziehgeschwindigkeit des Einkristalls erhöht werden. Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch insbesondere, dass die thermischen Spannungen aufgrund des einteiligen Aufbaus des Hitzeschildes problematisch sind und nur kleine Baugrößen zulassen.
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Die Schriften
JP S63-176 390 A und
US 2007/0 074 653 A1 beschreiben ebenfalls Czochralski-Vorrichtungen.
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Ausgehend von den Nachteilen des Standes der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur kostengünstigen Herstellung von Silizium-Einkristallen bei gleichzeitiger Reduktion der Kristallverunreinigung durch Fremdstoffe bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Eine erfindungsgemäße Einkristallzüchtungsvorrichtung weist eine Gehäusewandung, einen Innenraum, eine Tiegeleinheit, eine Heizeinrichtung sowie eine Lateralauskleidung auf.
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Die Gehäusewandung beschreibt dabei den äußeren Rand der Einkristallzüchtungsvorrichtung. Diese ist geschlossen und weist typischerweise die Form eines Hohlzylinders mit einem Verjüngungsabschnitt im oberen Bereich auf. Der Innenraum wird durch die Gehäusewandung gebildet.
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Die Tiegeleinheit, die Heizeinrichtung und die Lateralauskleidung sind in dem Innenraum angeordnet. Zur Schaffung eines optimalen Bereichs der Prozessbedingungen wird der im Innenraum vorherrschende Druck vorzugsweise auf einen Wert im Bereich von 0 bis 200 mbar Absolutdruck reguliert.
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Die Tiegeleinheit ist wannenförmig ausgebildet und besteht vorzugsweise aus einem innenliegenden Quarztiegel sowie einem diesen Tiegel teilweise umgebenden Graphitteller. Innerhalb der Tiegeleinheit ist eine Schmelze aufnehmbar, wobei es sich vorzugsweise um eine Siliziumschmelze, deren Temperatur nur wenige Grad Celsius über dem Schmelzpunkt gehalten wird, handelt.
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Die Erhitzung und Temperierung des Inhalts der Tiegeleinheit, also der Siliziumschmelze, erfolgt mittels der Heizeinrichtung. Diese umgibt die Tiegeleinheit, ist vorzugsweise als Hohlzylinder ausgebildet und aus Graphit gefertigt. Zudem entspricht die Höhe der Heizeinrichtung vorzugsweise der Höhe der Tiegeleinheit, regelmäßig zumindest jedoch der Höhe der enthaltenen Siliziumschmelze.
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Die Lateralauskleidung umgibt umlaufend zumindest abschnittsweise die Heizeinrichtung. Sie ist zwischen der Heizeinrichtung und der Gehäusewandung angeordnet. Vorzugsweise ist die Lateralauskleidung wie auch die Gehäusewandung und die Heizeinrichtung hohlzylindrisch ausgebildet, wobei diese zueineinander konzentrisch sind und somit eine gemeinsame Längsmittelachse aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Einkristallzüchtungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass diese eine innenliegende Abschirmeinheit und eine außenliegende Wärmeisolierschicht aufweist. Die Abschirmeinheit bildet die innere Mantelfläche der Lateralauskleidung und ist somit der Heizeinrichtung zugewandt. Die Wärmeisolierschicht bildet die äußere Mantelfläche und ist somit der Gehäusewandung zugewandt.
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Die Abschirmeinheit besteht aus einer Mehrzahl von Abschirmelementen, welche in ihrer Gesamtheit die Abschirmeinheit bilden. Die Abschirmelemente sind erfindungsgemäß aus einer Keramik gefertigt.
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Die Abschirmelemente sind vorzugsweise länglich ausgebildet und können beispielsweise die Form eines Quaders annehmen. Sie sind vorzugsweise so angeordnet, dass sie unmittelbar aneinander angrenzen und sich zu einem Kreis schließen, so dass die Abschirmeinheit eine hohlzylindrische Form aufweist. Die äußere Mantelfläche der Abschirmeinheit ist der inneren Mantelfläche der Wärmeisolierschicht zugewandt.
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Die Wärmeisolierschicht nimmt vorzugsweise ebenfalls die Form eines Hohlzylinders an. Dabei können die Abschirmelemente sowohl direkt mit der Wärmeisolierschicht verbunden sein oder an dieser anliegen als auch eine Beabstandung aufweisen.
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Durch die keramisch ausgebildete Abschirmeinheit wird der überdeckte Oberflächenbereich der Wärmeisolierschicht erstens gegenüber der direkten Wärmebeaufschlagung abgeschirmt und zweitens abgedeckt, so dass dieser nicht mehr gegenüber der dort anliegenden Atmosphäre mit den enthaltenen Reaktionsverbindungen, wie unten beschrieben, exponiert ist. Der keramische Werkstoff, aus dem die Abschirmeinheit gebildet ist, verhält sich als besonderen Vorteil innert gegenüber der in der Einkristallvorrichtung im Betrieb vorliegenden Atmosphäre.
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Es wurde überraschend gefunden, dass eine keramische Abschirmeinheit in einer Einkristallzüchtungsvorrichtung realisierbar wird, wenn diese mehrteilig, also bestehend aus einer Mehrzahl von keramischen Abschirmelementen, gebildet wird. Die Abschirmelemente sind als hohle Abschirmelemente ausgebildet. Der Vorteil besteht in einer Verbesserung der Abschirmwirkung, in einer Reduzierung der wärmespeichernden Masse und somit in einer Reduzierung des Energieverbrauchs.
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Ferner ergeben sich Einsparungen bezüglich der zur Fertigung der Abschirmelemente eingesetzten Menge an Keramik.
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Eine gattungsgemäße Einkristallzüchtungsvorrichtung nach dem Czochralski-Verfahren weist zudem üblicherweise eine Drehvorrichtung sowie eine Ziehvorrichtung auf, wobei die Drehvorrichtung unterhalb und die Ziehvorrichtung oberhalb der Tiegeleinheit angeordnet ist. Die Drehvorrichtung ist dabei mit einem Antrieb verbunden und wird zur Rotation der Tiegeleinheit genutzt, da durch die entgegengesetzte Rotation der Tiegeleinheit und des wachsenden Kristalls eine Optimierung der Kristallqualität erreicht werden kann. Die Ziehvorrichtung hingegen besteht aus einem Impfkristall, einem zugehörigen Impfkristallhalter, einem geeigneten Zugmittel (z. B. Draht, Seil oder Stock) sowie einer Hebevorrichtung an dessen oberen Ende. Die Ziehvorrichtung entfernt sich dabei mit einer gewählten Ziehgeschwindigkeit von der Oberfläche der Siliziumschmelze, wodurch einige charakteristische Eigenschaften des erhaltenen Silizium-Ingots, wie bspw. dessen Durchmesser, eingestellt werden können.
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Die erfindungsgemäße Einkristallzüchtungsvorrichtung weist insbesondere nachfolgende Vorteile auf.
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Ein erster Vorteil besteht in der Reduktion der Kohlenstoffverunreinigungen innerhalb des gezüchteten Einkristalls und damit in der Erhöhung der Qualität des Einkristalls.
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Die Grundlagen sind insbesondere in den nachfolgenden Reaktionsprozessen zu sehen.
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Im Rahmen des Czochralski-Verfahrens entsteht durch die Wechselwirkung des Quarz-Tiegels (SiO2) mit der Schmelze (Si) Siliziummonoxid-Dampf (SiO), welcher mit Hilfe eines Argon-Durchflusses abgeführt werden soll. Dabei kann der, in vertikaler Richtung von oben nach unten gerichtete, Argon-Durchfluss in industriellen Anlagen jedoch keine vollständige Abführung des SiO sicherstellen. Somit reagiert ein großer Teil des SiO mit den aus Graphit bestehenden Bauteilen der Einkristallzüchtungsvorrichtung, was wiederum zur Entstehung des Gases Kohlenstoffmonoxid (CO) und des Feststoffes Siliziumcarbid (SiC) führt. Das entstandene SiC lagert sich an den kohlenstoffbasierten Bauteilen insbesondere der Hot-Zone an, wodurch deren Lebensdauer signifikant verringert wird. Dabei führen die SiC-Ablagerungen im Laufe der Zeit zu einer fortschreitenden Beschädigung der kohlenstoffbasierten Bauteile insbesondere der Hot-Zone, da Graphit und SiC unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die entstandenen CC-Moleküle gelangen hingegen in Kontakt mit der Si-Schmelze, wobei SiC sowie weiteres SiO gebildet werden. Somit werden Kohlenstoffpartikel in Form von SiC in den wachsenden Kristall integriert, womit sich dessen Kohlenstoffgehalt drastisch erhöht. Da der beschriebene Prozess der SiC-Clusterbildung die Qualität des gezüchteten Ingots bzw. der resultierenden Wafer erheblich reduziert, ist er sowohl im Rahmen der Photovoltaik- als auch der Halbleiterindustrie unerwünscht.
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Durch die Abschirmung und Überdeckung werden aus einer kohlenstoffbasierten oder kohlenstoffhaltigen Wärmeisolierschicht, beispielsweise einer CFC-haltigen Wärmeisolierschicht, weniger Kohlenstoffanteile ausgelöst. Die Wärmeisolierschicht wird als verunreinigende Kohlenstoffquelle im Wesentlichen neutralisiert.
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Einen weiteren Vorteil der erfindungsgemäßen Einkristallzüchtungsvorrichtung stellt die Erhöhung der Lebensdauer sämtlicher graphitbasierter Bauteile insbesondere der Hot-Zone dar, welche durch die beschriebene Verringerung der SiC-Ablagerungen insbesondere innerhalb der Hot-Zone bewirkt wird. Dies basiert auf der Tatsache, dass bereits die zugrunde liegende Ausgangsreaktion des SiO mit Kohlenstoff bzw. mit den Graphitbauteile eingeschränkt wird.
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Darüber hinaus ergeben sich durch den mehrteiligen Aufbau der keramischen Abschirmeinheit weitere Vorteile. Im Gegensatz zu einem einteiligen, großflächigen Abschirmelement wird durch die erfindungsgemäße Mehrzahl kleinerer Abschirmelemente eine erheblich kostengünstigere und einfachere Herstellung der Abschirmeinheit bei gleichzeitiger Materialeinsparung ermöglicht. Zudem wird je nach Größe der Einkristallzüchtungsvorrichtung durch die Mehrteiligkeit eine keramische Abschirmeinheit überhaupt erst realisierbar. Zum einen bestehen bereits in der Herstellung keramischer Bauteile Baugrößenbegrenzungen; zum anderen wären bei einteiliger Ausbildung die thermischen Spannungen in einem solchen Abschirmelement erheblich und würden entweder zu einem Versagen führen oder stark lebensdauerbegrenzend wirken.
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Ein weiterer Vorteil besteht in der einfacheren Möglichkeit zum Ersatz oder zur Reparatur der Abschirmelemente, da nicht die gesamte Abschirmeinheit, sondern lediglich das betroffene Abschirmelement oder die betroffenen Abschirmelemente zu diesem Zweck demontiert werden müssen. Zudem besteht aufgrund der thermischen Abschirmung der Wärmeisolierschicht durch die Abschirmeinheit der Vorteil, dass die Wärmeisolierschicht geringer thermisch belastet wird, wodurch die auch weniger themperaturbeständige Materialien verwendbar sind. Insbesondere sind daher auch kohlenstofffreie Materialien verwendbar, so dass eine weitere potenzielle Kohlenstoffquelle neutralisiert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung bestehen die Abschirmelemente aus einer Nichtoxidkeramik. Daraus ergeben sich für die Nutzung innerhalb einer Einkristallzüchtungsvorrichtung relevante Vorteile hinsichtlich einer hohen chemischen und thermischen Stabilität sowie einer hohen Festigkeit und Härte. Geeignete Materialien sind dabei insbesondere Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Borcarbid, Bornitrid oder Aluminiumnitrid.
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Nach einer ebenfalls bevorzugten Weiterbildung wird die zur Lateralauskleidung zugehörige Wärmeisolierschicht aus Filz hergestellt. Dabei kommen beispielsweise, wie in großen Teilen der Hot-Zone, hochtemperaturbeständige Graphitkomponenten in Form von Graphitfilzen und CFC-Kompositmaterialien zum Einsatz. Diese vereinen neben der Temperaturbeständigkeit weitere entscheidende Kriterien wie Korrosionsbeständigkeit, lange Lebensdauer und hohe Materialreinheit.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die beschriebene Lösung dadurch erweitert, dass die keramischen Abschirmelemente Überlappungsabschnitte aufweisen.
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Hierdurch werden somit Zwischenräume und Durchdringungen zwischen den Abschirmelementen vermieden, so dass die Wärmeisolierschicht trotz der mehrteiligen Ausbildung der Abschirmeinheit vollständig abgeschirmt und überdeckt wird sowie dass unterstützend zur umgebenden Wärmeisolierschicht eine weitere Verringerung der thermischen Verluste erzielt werden kann.
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Mittels der Überlappungsabschnitte wird zudem eine einfachere Befestigung der einzelnen Abschirmelemente untereinander ermöglicht, eine unerwünschte Verschiebung bzw. Positionsänderung der Abschirmelemente relativ zueinander weitestgehend verhindert und letztlich die mechanische Stabilität erhöht.
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Eine weitere bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass die Abschirmelemente durch formschlüssige Verbindung in ihrer Lagebeziehung zueinander festgelegt sind. Die Verschiebung einzelner Abschirmelemente, welche zu Inhomogenitäten der Abschirmeinheit als Gesamtkonstrukt führen kann und somit die positiven Effekte der Abschirmeinheit einschränken kann, wird somit verhindert. Die formschlüssige Verbindung kann durch die zuvor beschriebenen Überlappungsabschnitte ausgebildet sein. Die Ausbildung der formschlüssigen Verbindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt und umfasst sämtliche weitere geeignete Verbindungsarten. Hier kommen insbesondere Nut-und-Feder-Verbindungen oder Ähnliches in Betracht.
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Nach einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung weisen sämtliche Abschirmelemente die selbe Form und Größe auf. Hiermit wird eine vereinfachte Herstellung der Abschirmelemente sowie eine Verringerung der Komplexität des Gesamtaufbaus der Einkristallzüchtungsvorrichtung herbeigeführt. Zudem wird mit dieser Maßnahme eine gleichmäßige Abschirmung der gesamten Hot-Zone sichergestellt.
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Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Abschirmeinheit mehrlagig ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Abschirmeinheit zumindest zwei Schichten von Abschirmelementen aufweist, welche in Kontakt zueinander stehen können oder zueinander beabstandet sind. In jedem Fall befinden sich die einzelnen Lagen in räumlicher Nähe zueinander. Vorzugsweise überdecken die durchgehenden Flächen der Abschirmelemente der einen Schicht die Stoßfugen der Abschirmelemente der anderen Schicht. Zudem können auch die Abschirmelemente der einen Schicht formschlüssig mit Abschirmelementen der anderen Schicht verbunden sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung bilden die als hohle Abschirmelemente ausgebildeten Abschirmelemente einen Kanal aus, durch welchen ein Inertgas führbar ist. Das eingebrachte Inertgas, vorzugsweise Argon, durchströmt üblicherweise den Innenraum der Einkristallzüchtungsvorrichtung in vertikaler Richtung von oben nach unten und wird nach dem Stand der Technik in dem von Heizeinrichtung und Wärmeisolierschicht gebildeten Zwischenraum abgeführt. Infolge der Lage der Abschirmeinheit in jenem Zwischenraum ist diese insbesondere auch dazu geeignet, das Inertgas in dem gebildeten Kanal abzuführen. Es ist auch möglich, nur einen Teil des Massenstrom des Innertgases durch den Kanal der Abschirmelemente zu führen.
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Letztlich ist es bei einer verwandten Weiterbildung bei einer mehrlagigen Ausbildung des Abschirmelements möglich, die Kanäle mit den vorstehend beschriebenen Eigenschaften und Vorteilen auch zwischen den Schichten der Abschirmelemente auszubilden. Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
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1 einer Schnittansicht der Einkristallzüchtungsvorrichtung,
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2 einer perspektivischen Darstellung der Lateralauskleidung und der Heizeinrichtung,
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3 einer perspektivischen Darstellung der Lateralauskleidung und der Heizeinrichtung mit Teilschnitt als Vertikalschnitt
näher erläutert.
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1 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einkristallzüchtungsvorrichtung. Sämtliche Komponenten der Einkristallzüchtungsvorrichtung sind in einem Innenraum 2 angeordnet, welcher durch eine Gehäusewandung 1 räumlich abgegrenzt wird. Im Zentrum der Anordnung befindet sich die Tiegeleinheit 3, welche im Ausführungsbeispiel mehrschichtig aufgebaut ist. Die innere Schicht bildet ein Quarztiegel, der zum Teil von einem Graphitteller umschlossen wird. In der Tiegeleinheit 3 wird eine Schmelze 7 aufgenommen, welche die stoffliche Grundlage für den zu züchtenden Einkristall darstellt. Unterhalb der Tiegeleinheit 3 ist die Drehvorrichtung 8 angeordnet, während sich die Ziehvorrichtung 9 oberhalb der Tiegeleinheit 3 befindet. Umgeben wird die Tiegeleinheit 3 von der Heizeinrichtung 4, welche wiederum von der Lateralauskleidung 10 (in 1 ohne Bezugszeichen), aufweisend die außenliegende Wärmeisolierschicht 5 sowie die innenliegende Abschirmeinheit 11, umschlossen wird. Dabei liegen sowohl zwischen Tiegeleinheit 3 und Heizeinrichtung 4 als auch zwischen Heizeinrichtung 4 und Lateralauskleidung 10 Abstände vor. Die Wärmeisolierschicht 5 ist im Ausführungsbeispiel aus zwei verschiedenartigen Schichten aufgebaut, wobei die der Heizeinrichtung 4 zugewandte Schicht aus CFC und die der Gehäusewandung 1 zugewandte Schicht aus einem graphitbasiertem Filz oder Formschaum besteht. Zudem ist ein Trichter 6 oberhalb der Tiegeleinheit 3 angeordnet. Dieser weist die Form eines Hohl-Kegelstumpfs auf, dessen Durchmesser in Richtung der Tiegeleinheit 3 abnimmt.
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2 zeigt eine perspektivische Darstellung der Lateralauskleidung 10 und der Heizeinrichtung 4. Die Abschirmeinheit 11 ist dabei von der innenliegenden Heizeinrichtung 4 und der außenliegenden Wärmeisolierschicht 5 umgeben. Die Abschirmeinheit 11, welche gemeinsam mit der Wärmeisolierschicht 5 die Lateralauskleidung 10 bildet, setzt sich aus einer Mehrzahl von Abschirmelementen 12 zusammen. Diese sind im gewählten Ausführungsbeispiel aus einer chemisch inerten Nichtoxidkeramik gefertigt und als hohle Abschirmelemente ausgebildet.
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In 3 erfolgt die perspektivische Darstellung der Lateralauskleidung 10 und der Heizeinrichtung 4 mit einer Ansicht eines Teilschnitts, der als vertikaler Schnitt vorliegt. Hierbei ist insbesondere erkennbar, dass ein Abstand zwischen der Heizeinrichtung 4 und der Abschirmeinheit 11 vorliegt. Auch die Abschirmeinheit 11 und die Wärmeisolierschicht 5 befinden sich im gewählten Ausführungsbeispiel nicht in direktem Kontakt miteinander, jedoch fällt der im Bereich von 1 bis 2 mm festgelegte Abstand deutlich geringer aus. 3 zeigt zudem die im Ausbildungsbeispiel hohl ausgebildeten Abschirmelemente 12, wobei gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Hohlräume der länglichen Abschirmelemente einen Kanal ausbilden, in welchem das Argon-Gasgemisch vertikal von oben nach unten strömt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäusewandung
- 2
- Innenraum
- 3
- Tiegeleinheit
- 4
- Heizeinrichtung
- 5
- Wärmeisolierschicht
- 6
- Trichter
- 7
- Schmelze
- 8
- Drehvorrichtung
- 9
- Ziehvorrichtung
- 10
- Lateralauskleidung
- 11
- Abschirmeinheit
- 12
- Abschirmelement
