DE2730162C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ziehen eines, aus einem vorgegebenen Kristallmaterial bestehenden, Kristallkörpers aus einer Schmelze dieses Materials, und geht aus von einem Verfahren mit den Ver­ fahrensschritten

• - Ausbildung einer Flüssig/Fest-Zieh-Grenzfläche zwischen einem Kristallkeim und der Schmelze,
• - fortlaufendes Abziehen des anwachsenden Kristall­ körpers von der Flüssig/Fest-Grenzfläche längs einer vorgegebenen Ziehachse,
• - Führung des Kristallkörpers durch eine Kühlzone zur Verringerung thermischer Spannungen,
• - sowie anschließende Führung des Kristallkörpers durch eine Sekundär-Kühlzone zur Verringerung seiner Temperatur auf Zimmertemperatur.

Bei den Versuchen, bandförmige Kristalle aus Silizium aus der Schmelze zu ziehen, bei denen unterschiedliche Techniken, bei­ spielsweise die Verwendung von Kapillarformen, wie das in den US-Patentschriften 35 91 348 und 34 71 266 beschrieben ist, oder die Laserrekristallisation oder die invertierte Stepanov-Technik zur Anwendung kamen, ergaben sich Probleme mit Restspannungen in den gezogenen Kristallen. Restspannun­ gen in Siliziumbändern können zu Bruch, Knickungen, plastischem Fließen und Kriechen führen. Diese Restspannungen können zu einem spontanen Zerbrechen der Bänder beim Ziehen oder bei deren Handhabung führen, die Bänder können aber auch zersplittern, wenn sie zum Zweck der Herstellung von Siliziumscheiben geritzt werden. Versuche, diese Spannungen durch Temper­ prozesse zu beseitigen, haben bei Siliziumbändern nicht zu dem gewünschten Erfolg geführt. Erfahrungen, die beim Ziehen von Siliziumbändern nach den in den US-Patentschriften 35 91 348 und 34 71 266 beschriebenen Verfahren gewonnen wurden, haben gezeigt, daß das Spannungsproblem mit stei­ genden Ziehgeschwindigkeiten und Bandbreiten wächst. Auch konnte festgestellt werden, daß Siliziumbänder häufig auf­ grund von Restspannungen zerstört werden, die sich beim Kühlen derselben längs eines relativ unkontrollierten Temperaturgradienten ergeben. Da die Erhöhung der Zieh­ geschwindigkeit und der Bandbreite von erstrangiger Bedeu­ tung für die Entwicklung von billigen Siliziumsolarzellen ist, muß das Problem des Kristallziehens ohne Restspannun­ gen gelöst werden.

Die Erfindung befaßt sich somit mit dem schwierigen Pro­ blem der Beherrschung residueller, innerer mechanischer Spannungen in dem Ziehkörper, wie sie beim Ziehen im Ver­ lauf der (mehr oder weniger kontrollierten) Abkühlung des Ziehkörpers beim Abziehen aus der Ziehzone auftreten, und insbesondere bei bandförmigen Ziehkörpern (welche das be­ vorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung darstellen, ohne daß diese jedoch hierauf beschränkt ist), die Qualität des gewonnenen Kristallkörpers beeinträchtigen oder ihn sogar für die praktische Verwendung unbrauchbar machen bzw. bis zum Bruch des Ziehkörpers führen können.

Insgesamt liegt der Erfindung somit als Aufgabe die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Ziehen eines Kristallkörpers, insbesondere bandförmiger Kristallkörper, zugrunde, welche bei einer effizienten Ziehgeschwindigkeit die weitgehende Vermeidung der Ausbildung störender innerer, thermischer Restspannungen in dem gezogenen Kristallkörper im endgültig erhaltenen abgekühlten Zustand gewährleisten.

Zu diesem Zweck ist, ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art, gemäß der Erfindung vorgesehen,

• - daß in der Kühlzone ein wenigstens teilweise durch einen Block aus einem wärmeleitenden Material be­ stimmter, annähernd linearer Temperaturgradient auf­ rechterhalten wird,
• - daß der einen Kanal für den Durchtritt des Ziehkörpers aufweisende Block aus wärmeleitendem Material so wärme­ isoliert ist, daß über die gesamte Längserstreckung des Ziehkanals Wärmeleitung in dem Block der vorwiegende Prozeß der Wärmeabfuhr von dem gezogenen Kristallkörper ist,
• - daß an dem der Ziehzone benachbarten Ende der Kühlzone die Temperatur auf einem Wert gehalten wird, der unter dem Schmelzpunkt des vorgegebenen Kristallmaterials, jedoch oberhalb der maximalen Temperatur liegt, bei welcher in dem Körper aus dem vorgegebenen Material noch kein plastisches Fließen auftritt,
• - und daß am anderen, von der Ziehzone entfernten Ende der Kühlzone die Temperatur auf einem Wert unterhalb der genannten maximalen Temperatur, bei welcher in dem vorgegebenen Kristallmaterial noch kein plastisches Fließen auftritt, gehalten wird,
• - derart, daß beim Abziehen des anwachsenden Kristall­ körpers entlang dem Durchtrittskanal in dem Block aus wärmeleitendem Material die Temperatur des Ziehkörpers fortschreitend in Abhängigkeit von dem Temperatur­ profil des Blocks aus wärmeleitendem Material verringert wird.

Nach dem Grundgedanken der Erfindung wird somit die Ausbildung innerer residueller Spannungen in dem Ziehkörper während des Abziehvorgangs durch eine besondere Steuerung des Temperaturprofils in dem Ziehkörper nach dessen Austritt aus der Ziehzone vermieden, und zwar mittels einer sich in Richtung der Ziehachse erstreckenden Temperaturprofil­ steuereinrichtung in Form einer Blockanordnung aus einem wärmeleitenden Material, welche einen inneren Kanal zum Durchtritt des Ziehkörpers aufweist und diesen - in Ab­ stimmung mit der Ziehgeschwindigkeit - auf einer solchen Länge des Ziehwegs allseitig umgibt, daß der Ziehkörper von seiner relativ hohen, knapp unterhalb dem Schmelzpunkt liegenden Austrittstemperatur aus der eigentlichen Zieh­ zone auf eine unterhalb der maximalen Temperatur, bei wel­ cher in dem vorgegebenen Kristallmaterial kein plastisches Fließen mehr auftritt, liegende Temperatur abgekühlt wird, und zwar in kontrollierter Weise durch Er­ zeugung eines annähernd linearen, konstanten Wärmegradien­ ten. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es erforderlich, aber auch ausreichend ist, diesen kontrollier­ ten Temperaturprofilverlauf über eine solche Länge des Ab­ ziehwegs, gerechnet vom Austritt aus der Ziehzone an, auf­ rechtzuerhalten, über welche der Ziehkörper sich auf eine Temperatur abkühlt, die unterhalb der erwähnten Grenztempera­ tur liegt, bei welcher noch plastisches Fließen auftreten kann. Erfindungsgemäß ist diese Wärmeprofilsteuerung als längsgestreckte Anordnung aus Blöcken aus wärmeleitendem Material ausgebildet, welche an ihrer Außenseite wärmeiso­ liert ist, derart daß eine Wärmeabgabe durch Wärmeabstrah­ lung in seitlicher Richtung im wesentlichen vermieden wird, derart, daß die Wärmeprofilsteuerungsvorrichtung eine mit Wärmeleitung in axialer Richtung (d. h. parallel zur Zieh­ richtung) arbeitende Wärmeströmungseinrichtung darstellt, mittels welcher der genannte gleichmäßige, annähernd lineare Wärmegradient entlang dem ersten Teil des Abzugswegs des Ziehkörpers realisiert wird. Zur Einstellung dieses Wärme­ gradientenverlaufs wird dieser Wärmeströmungseinrichtung an ihrem unteren, der Ziehzone benachbarten, stirnseitigen Ende Wärme zugeführt und an ihrem oberen, von der Ziehzone abgewandten stirnseitigen Ende durch eine Wärmesenke Wärme entzogen, wodurch ein vorgegebener, annähernd linearer Wärmegradient entlang der Wärmeströmungseinrichtung und damit die gewünschte Wärmeleitung in axialer Richtung als im wesentlichen einzige Form der Wärmeabfuhr von dem Zieh­ körper, und damit der erstrebte, annähernd lineare Temperaturgradient in dem Ziehkörper selbst, gewährleistet wird.

Die Ausbildung dieser Wärmesteuereinrichtung als Anordnung aus Blöcken aus wärmeleitendem Material ist nicht nur vor­ richtungsmäßig und betriebsmäßig einfach, sondern gestattet auch durch entsprechende Bemessung des Querschnittsverlaufs des wärmeleitenden Materials entlang der Ziehachse die angestrebte optimale Gestaltung (annähernde Linearisierung des Temperaturgradienten entlang der Ziehrichtung).

Insgesamt ergibt die Ausbildung der Temperaturprofilsteuerung entlang der Kühlzone durch eine im wesentlichen auf axiale Wärmeleitung beschränkte Wärmeströmungseinrichtung aus einem wärmeleitenden Block mit einem Durchtrittskanal für den Ziehkörper, der in dem Block über die axiale Erstreckung der Kühlzone hin umschlossen ist, eine einfache und wirksame, hinsichtlich der Anpassung an unterschiedliche Gegeben­ heiten flexible Lösung der Aufgabe, die Abkühlung des aus der Ziehzone austretenden Ziehkörpers auf eine unter­ halb der Temperatur, bei welcher noch plastisches Fließen auftreten kann, liegende Temperatur im wesentlichen frei von inneren thermischen Spannungen in dem Ziehkörper vor­ zunehmen.

Die Vorrichtung zum Ziehen des Kristallkörpers nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist Gegenstand des Anspruchs 4.

Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ziehver­ fahrens und der erfindungsgemäßen Ziehvorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 und 3 bzw. 5 bis 10.

Aus der DE-OS 25 20 764 ist ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Herstellung bandförmiger Einkristalle aus Halbleitermaterial bekannt, bei welchen aus der aufge­ schmolzenen Schmelzkuppe am oberen Ende eines Halbleiter­ vorratsstabs durch eine Blende mit einer dem gewünschten Bandquerschnitt entsprechenden Blendenöffnung hindurch gezogen wird, und zwar durch eine oberhalb der Blenden­ öffnung befindliche Salzschmelze hindurch, welche den Ziehkörper über eine erste Wegstrecke entlang seines Abziehwegs einbettet. Das anfängliche Hindurchführen des Ziehkörpers nach seinem Austritt aus der Blende durch die Salzschmelze erfolgt zu dem Zweck, die verhältnismäßig hohe Oberflächenspannung des noch zähflüssigen Kristall­ materials beim Austritt aus der Ziehzone herabzusetzen, um die störende Auswirkung der beim Ziehen von Kristall­ bändern insbesondere aus Silizium besonders großen Ober­ flächenspannung zu vermindern. Es ist dabei auch vorgesehen, durch eine entsprechende Beheizung der Salzschmelze in dieser in Ziehrichtung des rekristallisierten Kristallban­ des einen Abkühlungsgradienten zu bilden. Zu diesem Zweck ist der die Salzschmelze enthaltende Tiegel über seine gesamte Längserstreckung in radialem Abstand mit einer äußeren Heizwicklung umgeben, die dazu dient, die Salzschmelze in schmelzflüssigem Zustand zu halten. Über die Art und Weise, wie daneben in der Salzschmelze ein kontrollierter Ab­ kühlungsgradient in Ziehrichtung eingestellt und aufrecht­ erhalten werden soll, ist der Entgegenhaltung nichts zu entnehmen, insbesondere nicht der Gedanke, den Abküh­ lungsgradienten dadurch einzustellen, daß in der Salz­ schmelze im wesentlichen nur eine Wärmeleitung in axialer Richtung zugelassen wird. Nachteilig ist bei dieser be­ kannten Vorgangsweise auch, daß hierbei der Ziehkörper notwendigerweise auf seiner gesamten Oberfläche mit der Salzschmelze in Berührung kommt und von dieser benetzt wird, was eine anschließende Reinigung in einem Reinigungs­ bad erforderlich macht und in jedem Fall eine einschränkende Bedingung darstellt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren beschrieben:

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und deren Funktion;

Fig. 2 zeigt eine vertikale Schnittdarstellung, gewonnen durch einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 3 einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zum Ziehen von Siliziumbändern;

Fig. 3 zeigt eine vertikale Schnittzeichnung, gewonnen durch einen Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 9 und

Fig. 4 bis 9 zeigen Querschnittszeichnungen, die durch Schnitte längs der Linie 4-4 bis 9-9 in Fig. 3 ge­ wonnen wurden.

Obwohl das hier beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung sich auf das Ziehen von Siliziumbändern bezieht, so ist doch zu be­ achten, daß die Erfindung auch zum Ziehen kristalliner Körper aus anderen Stoffen und/oder mit anderen Querschnittsformen ange­ wandt werden kann.

Unter Restspannung versteht man ein Spannungssystem, das ein inneres Gleichgewicht ohne äußere Belastungen oder Temperatur­ gradienten erfüllt; es wird von einer elastischen Spannungs­ verteilung in dem kristallinen Material begleitet. Restspannungen in Kristallen, die aus der Schmelze gezogen worden sind, können durch mechanische Effekte (wie beispielsweise erzwungene Aus­ richtung von Teilen oder Belastungen, die einen ungleichmäßigen plastischen Fluß oder ein Kriechen verursachen), durch thermische Effekte und durch chemische Effekte oder zusammengesetzte Effekte verursacht sein. Ein Beispiel für die thermischen Effekte sind thermische Spannungen, die aufgrund ungleichmäßiger Tem­ peraturänderungen des Kristallkörpers auftreten und zu plastischem Fließen führen.

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der thermischen Spannung beim Ziehen bandförmiger Kristalle und die Wirkung thermischer Spannungen auf die durch plastische Spannungen ver­ ursachte Verformungen und Unvollkommenheiten und die Restspannungen in den gezogenen Kristallen. Restspannungen können im allgemeinen gelöst werden durch Entspannung in geringem Umfang oder plastische Verformung. Falls Restspannungen vorliegen, können sie ein Brechen, ein Verbiegen, plastischen Fluß und Kriechen verursachen oder fördern. Beispielsweise können die Restspannungen in Silizium­ bändern 2000 bar (30 000 psi) betragen (die Bruchspannung von Silizium beträgt bei Zimmertemperatur ungefähr 5500 bar). Rest­ spannungen in einem gezogenen Kristall stammen von der plasti­ schen Verformung, die der Kristall bei hohen Temperaturen er­ fährt. Die plastische Verformung wiederum wird üblicherweise durch thermische Spannungen verursacht, die sich aufgrund der ungleichmäßigen Temperaturverteilung in dem Band ergeben. Es ist daher erwünscht, das Ausmaß der plastischen Verformung und damit der durch die Verformung bedingten Unvollkommenheiten möglichst klein zu machen. Auch soll die plastische Restspannung in dem Kristall auf ein annehmbares Maß herabgesetzt werden, wenn der Kristall Zimmertemperatur erreicht.

Eine mögliche Erklärung für das Auftreten von Restspannungen aufgrund ungleichmäßiger Temperaturgradienten wird im folgenden angegeben. Man kann sich vorstellen, daß ein im wesentlichen einkristallines Siliziumband aus einer Anzahl von schmalen Streifen besteht, die sich in Bandlängsrichtung erstrecken, und daß jeder Streifen sich bei der Abkühlung des Bandes vom Schmelz­ punkt auf Zimmertemperatur proportional zum Rückgang seiner Temperatur zusammenzieht. Wenn längs des Bandes ein gleichmäßiger Temperaturgradient auftritt, wird sich jeder Einzelstreifen in gleicher Weise zusammenziehen, wie jeder benachbarte Streifen. Das Band wird also spannungsfrei sein und wird spannungsfrei bleiben, so­ lange der gleiche Temperaturgradient vorliegt. Falls jedoch der Temperaturgradient ungleichmäßig wird, d. h. nicht-linear, dann werden sich benachbarte Streifen des Bandes unterschiedlich zu­ sammenziehen und werden gegenseitig ihr Zusammenziehen behindern, statt sich einander anzupassen. Dies wird zu thermischen Spannungen führen. Es scheint, daß diese thermischen Spannungen von der Änderungsgeschwindigkeit des Temperaturgradienten und von wachsender Bandbreite abhängen würde. Man kann an­ nehmen, daß es beim tatsächlichen Kristallziehen unmöglich sein wird, ein Band oder anderen kristallinen Körper derart auf Zimmertemperatur herunter zu kühlen, ohne daß in dem gezogenen Körper an einigen Punkten Spannungen entstehen. Nichts desto weniger gilt, daß je mehr der Temperaturgradient längs des kristallinen Körpers der Linearität angeglichen wird, um so mehr wird der Kristall einen Zustand frei von thermischen Spannungen erreichen.

Eine mögliche Lösung für das Restspannungsproblem in Silizium­ bändern bestünde darin, die Bänder einem Temperverfahren bei einer ausreichend hohen Temperatur zu unterwerfen, so daß ein Spannungsausgleich eintreten könnte. Es wurde jedoch festge­ stellt, daß obwohl eine Temperung an Bändern mit mittleren Spannungen bei einer Temperatur von ungefähr 850° C und während einer Zeitdauer von etwa 25 Minuten zu einem Abbau von Rest­ spannungen führen kann, eine ähnliche Behandlung von Bändern mit hohen Spannungen z. B. mit Spannungen über 1500 bar (20 000 psi) zu keinen befriedigenden Ergebnissen führt. Darüber hinaus brechen im letzteren Fall die Bänder häufig, wenn sie in den Temperofen gebracht werden. In jedem Fall bedeutet der Temper­ vorgang einen zusätzlichen Schritt in dem Ziehverfahren.

Die vorliegende Erfindung gibt eine Vorrichtung an, die einen Bereich mit einem konstanten oder annähernd konstanten Temperatur­ gradienten herstellt, in dem ein Band oder ein Kristall anderer Form abkühlt und entspannt wird, ohne daß gleichzeitig andere Spannungen oder Verformungen im Band entstehen. Im wesentlichen besteht diese Vorrichtung, die im folgenden als Kristalltemperatur­ profil-Steuergerät bezeichnet wird, aus einem wärmeleitenden Medium mit rechtwinkliger Form, das längs der Ziehachse des Kristalls in der Nähe, jedoch stromabwärts von der Wachstums­ grenzfläche angeordnet ist, wobei das obere (stromabwärts ange­ ordnete) Ende des Kristalltemperaturprofil-Steuergeräts eine wesentlich niedrigere Temperatur einnimmt als das untere Ende. Das wärmeleitende Medium ist derart isoliert, daß die Strahlungs­ verluste von seinen äußeren Oberflächen möglichst klein sind und daß die Wärmeleitung die wichtigste Art des Wärmetransports in seiner Längsrichtung sind. Das wärmeleitende Medium ist auch so angeordnet, daß es mit dem sich bewegenden Kristallkörper durch Strahlung und Wärmeleitung in Wärmeaustausch steht und daß es in dem benachbarten Kristall in Längsrichtung eine Wärmeverteilung erzeugt, die stark seiner eigenen entspricht.

Die erwünschteste Temperaturverteilung, die in und durch das wärmeleitende Medium erzeugt werden kann, ist eine solche, die linear von einer geeigneten hohen Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Kristallmaterials, bei der eine Entspannung fast augenblicklich auftritt, auf eine Temperatur unterhalb des Punktes oder Bereiches eines wesentlichen plastischen Flusses abfällt. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß der vor­ liegenden Erfindung auch die Erkenntnis zugrundeliegt, daß Wärme mindestens dem unteren Ende (mit der höheren Temperatur) des wärmeleitenden Mediums zugeführt werden muß, damit dieses eine ausreichend hohe Temperatur einnimmt, so daß längs des wachsenden Kristalls bei dessen Abkühlung von der Temperatur an der Wachstumsoberfläche auf Zimmertemperatur oder zumindest auf eine Temperatur, bei der kein plastischer Fluß auftritt, ein linearer oder annähernd linearer Temperaturgradient erzeugt wird. Dem unteren Ende des Kristalltemperaturprofil-Steuergeräts kann Wärme auf verschiedene Art von verschiedenen Wärmequellen zuge­ führt werden, beispielsweise durch Strahlung und/oder Wärme­ leitung von Heizelementen, die im Bereich der Wachstumsgrenz­ fläche und/oder des Schmelztiegels und/oder des unteren Endes des wärmeleitenden Mediums angeordnet sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das obere Ende des wärme­ leitenden Mediums mit einer metallischen Wärmesenke verbunden, während gleichzeitig dem unteren Ende durch einen oder mehrere Heizelemente die in der Nähe dieses Endes angeordnet sind, Wärme zugeführt wird. Die Heizelemente können außerhalb oder sogar innerhalb des wärmeleitenden Mediums angeordnet sein. Die in den Heizelementen zur Erzeugung des Temperaturgradienten in dem wärmeleitenden Medium verbrauchte Energie hängt ab von der Dicke des wärmeleitenden Mediums der Temperatur an den gegenüberliegenden Enden und der Länge längs der Ziehachse.

Wie schon beschrieben, muß dem unteren Ende des wärmeleitenden Mediums Wärme zugeführt werden, um in diesem einen linearen oder annähernd linearen Temperaturgradienten zu schaffen. Dieses Er­ fordernis beruht auf der Tatsache, daß der Kristall und das wärmeleitende Medium nicht vollständig gegenüber ungewünschten Wärmeverlusten isoliert ist und daß die Umgebung in der Nähe der Wachstumsgrenzfläche üblicherweise nicht genügend Wärme liefert, um das untere Ende des wärmeleitenden Mediums bei einer ausreichend hohen Temperatur zu halten. Es sei darauf hingewiesen, daß das wärmeleitende Medium auch als Wärmequelle für das Band dient, um die Abkühlung des Bandes zu kompensieren, die auf der Tatsache beruht, daß die Wärmeleitfähigkeit von Silizium mit fallender Temperatur ansteigt. Man kann die Wirkung dieser in­ versen Temperaturabhängigkeit abschätzen, wenn man ein Volumen­ element eines heißen Siliziumbandes zwischen den Temperaturen T₁ und T₂ betrachtet, wobei T₁ größer ist als T₂. Auch wenn das Volumenelement des Bandes vollständig gegen Konvektionsverluste und Strahlungsverluste isoliert ist, wäre der Wärmegradient auf­ grund der inversen Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit bei T₁ kleiner als bei T₂. Wenn das Volumenelement durch Strahlung oder Konvektion zusätzlich Wärme verliert, so wäre die Geschwindig­ keit des Temperaturänderungsgradienten (d²T/dx²) noch positiver. Um also einen linearen Wärmegradienten zu erhalten, muß tatsäch­ lich jedem Volumenelement des Bandes Wärme zugeführt werden. Natürlich könnte diese Wärmezufuhr in jedes Volumenelement die Wirkung haben, daß die Ziehgeschwindigkeit hierdurch begrenzt wird, da die Wärmekonvektions- und Wärmestrahlungsverluste von der Bandoberfläche bei den hohen Temperaturen die Abfuhr der latenten Wärme, die von der Wachstumsgrenzfläche ausgehen, unter­ stützt. Jedoch wird die Schmelzwärme im wesentlichen vollständig bei Temperaturen verbraucht, die über denen liegen, bei der das Kristalltemperaturprofil-Steuergerät angewendet wird. Das Kristall­ temperaturprofil-Steuergerät gibt daher nur eine geringe Wärme­ menge an den Kristall zur Kompensation der Wirkung der Wärme­ leitfähigkeit auf den Wärmegradienten ab und führt andererseits dazu, daß der Kristall ohne wesentliche Restspannungen abkühlen kann.

Das wärmeleitende Medium des Kristallwärmeprofil-Steuergeräts hat auch eine sich invers mit der Temperatur ändernde Wärmeleitfähig­ keit. Daher muß bei der Konstruktion des wärmeleitenden Mediums dieser Faktor berücksichtigt werden, wenn ein linearer oder annähernd linearer Temperaturgradient geschaffen werden soll. Wie erwähnt, wird das Temperaturprofil in dem wärmeleitenden Medium von den Abmessungen dieses Mediums beeinflußt. Je kleiner der Ouerschnitt des wärmeleitenden Mediums ist, um so größer ist der Temperaturgradient. Das wärmeleitende Medium kann daher an die gewünschten Isothermen durch eine örtliche Änderung der Dicke des wärmeleitenden Mediums angepaßt werden. Obwohl daher der isolierte Wärmeleiter eine gleichförmige Dicke in Längsrichtung haben kann und dennoch einen gleichmäßigen oder annähernd gleich­ mäßigen Temperaturgradienten von einem Ende zu dem anderen liefert, schafft die Erfindung den Vorteil, daß der Gradient in dem wärmeleitenden Medium noch gleichförmiger gemacht wird, wenn das wärmeleitende Medium einen sich in Längsrichtung ändernden Querschnitt erhält, derart, daß das heißere Ende dicker ist als das kältere Ende, wodurch die Tendenz der höheren Temperatur an dem heißeren Ende die Wärmeleitfähigkeit an diesem Ende herabzu­ setzen durch den ähnlichen Effekt, der dadurch entsteht, daß das kältere Ende dünner gemacht wird, ausgeglichen wird.

Fig. 1 zeigt die Anwendung der Erfindung auf ein System zum kontinuierlichen Ziehen von Siliziumbändern. In Fig. 1 ist ein Schmelztiegel 2 gezeigt, der einen Siliziumvorrat 4 enthält. Der Schmelztiegel ist in einem nicht gezeigten Ofengehäuse ange­ ordnet, das Heizelemente 6 und 8 enthält, die den Siliziumvorrat in einem geschmolzenen Zustand halten. Mit dem Schmelztiegel ver­ bunden und in dieses hineinragend ist eine Kapillarform 10 aus Graphit vorgesehen, die eine solche Form aufweist, daß sie zum Ziehen von flachen Bändern geeignet ist. Das untere Ende der Kapillarform taucht in die Siliziumschmelze 4. An seinem oberen Ende soll die Breite der Form (d. h. die Abmessung der Form, die senkrecht zu der Zeichenebene steht) wesentlich größer sein als ihre Breite (d. h. in Fig. 1 die Abmessung der Form von links nach rechts), derart, daß die Kantengestalt des oberen Endes, wie das für ein dünnes Band erforderlich ist, rechteckig ist. Das obere Ende der Form ist auf ihren gegenüberliegenden Breit­ seiten, wie bei 12 gezeigt, abgekantet. In der Nähe der Form unterhalb dieses oberen Endes ist eine Formheizeinrichtung aus den beiden Heizelementen 14 und 16 angeordnet. Das obere Ende der Form ist von einem oder mehreren Wärmeschirmen 18 umgeben, die den Wärmestrahlungsverlust von dem oberen Ende der Form ein­ schränken sollen. Im Normalfall wird ein Band 22 kontinuierlich von dem oberen Ende der Form gezogen, und die zur Herstellung des Kristalls verbrauchte Schmelze wird durch den Fluß der Schmelze in der Kapillare 20 der Form nach oben ersetzt.

Darüber und im Abstand von dem Strahlungsschirm ist ein Kristall­ temperaturprofil-Steuergerät angeordnet mit einem wärmeleitenden Medium 24, das eine lineare Kühlzone bilden soll. Demgemäß ist das Medium 24 auf seiner Außenseite durch geeignete Wärmeisolier­ mittel, die schematisch bei 26 und 28 dargestellt sind, isoliert. Das wärmeleitende Medium weist sich parallel und eng benachbart zu den gegenüberliegenden breiten Seiten des Bandes erstreckende Oberflächen auf. Während das wärmeleitende Medium 24 aus einem einzigen Block mit einem Durchlaß 30 für das Band 22 bestehen kann, besteht es vorzugsweise aus zwei einzelnen Blöcken 32 und 34 gleicher Form und Größe, die auf den gegenüberliegenden Seiten des Bandes angeordnet sind. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Wärme von dem oberen Ende des wärmeleiten­ den Mediums 24 durch eine geeignete Wärmesenke abgeführt, die schematisch bei 36 und 38 angedeutet ist, während dem unteren Ende des gleichen Mediums durch eine geeignete Nacherhitzereinrichtung aus den beiden Nacherhitzerelementen 40 und 42 Wärme zugeführt wird, wodurch ein annähernd linearer Temperaturgradient in Längsrichtung des wärme­ leitenden Mediums erzeugt wird, wobei das untere Ende des wärme­ leitenden Mediums bei einer wesentlich höheren Temperatur ge­ halten wird als das obere Ende des Mediums. Der Kristall 22 wird kontinuierlich durch eine geeignete Zieheinrichtung gezogen, die vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise aus einem Paar endloser Bänder 46 und 48 besteht, die die beiden gegenüberliegenden breiten Seiten des Kristalls ergreifen. Eine geeignete Zieheinrichtung aus endlosen Bändern ist in der US-Patentschrift 36 07 112 beschrieben. Eine solche Zieheinrichtung eignet sich zum Ziehen eines Bandes oder eines monokristallinen Körpers anderer Form mit einer genau gesteuerten Geschwindigkeit.

Zwischen dem wärmeleitenden Medium 24 und dem oberen Ende der Kapillarform ist eine Schnellkühlzone vorgesehen. Diese Schnell­ kühlzone kann aus einem bloßen Abstand zwischen der Form und dem Nacherhitzer bestehen, der ausreicht, um den Kristall an der Wachs­ tumsgrenzfläche und ein kurzes Stück lang darüber schnell zu kühlen, und es kann aber auch eine Hilfskühleinrichtung vorge­ sehen sein, wie sie in der US-Patentschrift 32 65 469 beschrieben ist, um die Geschwindigkeit zu erhöhen, mit der die latente Schmelzwärme abgeführt wird. Diese Schnellkühleinrichtung er­ leichtert die Kristallisation und ermöglicht es, das Band mit höherer Geschwindigkeit zu ziehen als es sonst möglich wäre.

Das Kristalltemperaturprofil-Steuergerät ist derart angeordnet, daß erstens sein Nacherhitzer und die Wärmesenke das wärmeleitende Medium 24 an seinem unteren Ende auf eine Temperatur wenig unter dem Schmelzpunkt des Siliziums und an seinem oberen Ende auf eine Temperatur wenig unter der, bei der ein sichtbarer plastischer Fluß auftritt, bringt, daß zweitens das wärmeleitende Medium einen im wesentlichen konstanten annähernd linearen Temperaturgradienten in Längsrichtung des Bandes aufweist und daß drittens das Band, wenn es oder un­ mittelbar nachdem es das obere Ende des wärmeleitenden Mediums passiert hat, eine Temperatur aufweist, die unter der Temperatur liegt, bei der ein erkennbarer plastischer Fluß auftritt. Man er­ hält hierbei ein Band, das nachdem es auf Zimmertemperatur abge­ kühlt ist, keine oder nur geringe Restspannungen aufweist. Es ist wichtig, hierbei zu beachten, daß der Schmelzpunkt von Silizium bei ungefähr 1415° C liegt und daß in im wesentlichen mono­ kristallinen Silizium nach dessen Kühlung auf eine Temperatur zwischen 600 und 800° C nur ein geringer erkennbarer plastischer Fluß auftreten wird. Das Kristalltemperaturprofil-Steuergerät wird für Silizium vorzugsweise so ausgelegt, daß der vertikale Temperaturgradient des wärmeleitenden Mediums 24 bei einem Wert zwischen 150 und 600° C/cm konstant gehalten wird, wobei die Temperatur an seinem unteren Ende zwischen 1050 und 1250° C und an seinem oberen Ende bei ungefähr 600° C oder darunter liegt. Vorzugsweise soll der vertikale Temperaturgradient des wärme­ leitenden Mediums konstant sein. Er kann sich jedoch ein wenig ändern, ohne die Erzeugung eines bandförmigen Kristalls ohne wesentliche Restspannungen zu gefährden. Als wesentliche Rest­ spannung in einem Kristallkörper ist eine Spannung anzusehen, die über 2000 Nkm² (3000 psi) liegt. Natürlich gelten die obengenannten Temperaturen und Gradientenwerte nur für Silizium, für andere Stoffe, z. B. Saphir oder Lithiumniobat wären andere Werte er­ forderlich.

Die Fig. 2 bis 9 zeigen eine Vorrichtung, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zum Ziehen von Siliziumbändern dar­ stellt. In diesen Figuren ist ein Ofen in Form eines Gehäuses 50 gezeigt, der Sichtöffnungen 52 zum Überwachen des Kristall­ ziehens aufweist. In dem Ofen ist auf einer entsprechenden Halterung 54 ein Schmelztiegel 56 aus Quarz oder Graphit ange­ ordnet, der senkrecht zur Zeichenebene länglich geformt ist. Ferner sind in dem Ofengehäuse mehrere längliche elektrische Widerstandsheizelemente 58 aus Graphit angeordnet. Diese Widerstände sind, obwohl nicht gezeigt, mit einer geeigneten elektrischen Stromquelle außerhalb des Ofens verbunden. Die Widerstandsheizelemente 58 erwärmen den Schmelztiegel so weit, daß das darin enthaltene Siliziummaterial zu einer Schmelze 60 umgewandelt wird. Das obere Ende des Schmelztiegels ist durch einen Deckel 62 aus Graphit verschlossen, der einen Bestandteil einer Kassette 64 bildet. Wie im folgenden im einzelnen be­ schrieben enthält jede Kassette eine Kapillarform, eine Ein­ richtung zur Erzeugung einer Schnellkühlzone über dem oberen Ende der Form und eine Einrichtung, die eine lineare Kühlzone über der Schnellkühlzone erzeugt.

Das obere Ende des Ofengehäuses 50 weist eine Einführungsöffnung 66 auf, durch die die Kassette 64 in das Ofengehäuse eingeführt werden kann, wie das in Fig. 2 gezeigt ist. Das obere Ende der Kassette umfaßt vorzugsweise eine metallische Kopfplatte 68, die in der Art der Wärmesenken 36 und 38 der Fig. 1 als Wärme­ senke dient, und die gleichzeitig als Anschlag an der oberen Gehäusewand wirkt, der die Strecke um die die Kassette in den Ofen abgesenkt werden kann, beschränkt.

Die Kassette 64 weist ein äußeres Gehäuse rechteckigen Quer­ schnitts auf aus vier Wänden 70 A, 70 B, 70 C und 70 D, die aus einem hitzefesten Material bestehen, und die mit der Kopfplatte 68 verbunden sind, Der Deckel 62 ist mit den Wänden 70 A bis D ver­ bunden und wird von diesen gehalten. In dem Gehäuse sind zwei wärmeleitende Graphitplatten 72 A und 72 B angeordnet und sind mit der Kopfplatte 68 verbunden. Diese Platten bilden das wärme­ leitende Medium des Kristalltemperaturprofil-Steuergeräts und entsprechen den Blöcken 32 und 34 in Fig. 1. In dieser bevor­ zugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Platten 72 A und B eine solche Form auf, daß sie die Erzeugung eines gesteuerten annähernd linearen Temperaturgradienten in ihrer Längs­ richtung unterstützen. So haben, wie in Fig. 2 gezeigt, die Platten 72 A und B keine gleiche Stärke entlang ihrer Länge. Stattdessen erstrecken sich die breiten äußeren Oberflächen der Platten 72 A und B ein kurzes Stück lang ausgehend von den unteren Enden parallel zu ihren geraden inneren Oberflächen, wie das bei 74 A gezeigt ist. Anschließend sind, wie bei 74 B gezeigt, die äußeren Oberflächen geneigt und verlaufen unter einem festen Winkel in Richtung auf die inneren Oberflächen. Ein kurzes Stück lang in der Nähe der oberen Enden erstrecken sich die äußeren Oberflächen wiederum parallel zu den flachen senkrechten inneren Oberflächen, wie dies bei 74 C gezeigt ist, um die Anbringung der Kopfplatte 68 zu erleichtern.

Wie in den Fig. 3, 8 und 9 zu erkennen, sind die gegenüber­ liegenden schmalen Oberflächen der Platten 72 A und B gerade und erstrecken sich vertikal.

In den Fig. 2, 3 und 5 bis 9 erkennt man, daß die unteren Enden der Platten 72 A und B gekerbt sind, um zwei längliche parallele Ausnehmungen 76 zu bilden, in denen die Seitenteile eines elektrischen Widerstandsnacherhitzers 78 aus Graphit unter­ gebracht sind. Wie man in Fig. 8 erkennt, weist der Nacher­ hitzer 78 die Form einer im wesentlichen rechteckigen Schiene auf, die eine rechteckige Öffnung aufweist, deren Seitenabschnitte 80 sich längs der Ausnehmung 76 erstrecken, während die End­ bereiche 82 sich längs der gegenüberliegenden schmalen Ober­ flächen der Platten 72 A und 72 B erstrecken. Der Nacherhitzer 78 ist verbunden und wird gehalten von einem Paar elektrischer Stromzuführschienen 84 A und B, die in der Kopfplatte 68 verankert sind.

Wie in den Fig. 2, 3 und 5 bis 9 erkennbar, weist die Kassette auch ein Formstirnflächenheizelement 88 auf, sowie ein Paar Formendheizelemente 90 und 92. Das Formstirnflächen­ heizelement 88 besteht aus einem elektrisch leitenden Material und weist ein Paar Stirnflächenheizabschnitte 94 A und B auf und ein Paar Endabschnitte 96 A und B. Die letztgenannten sind mit einem Paar Stromzufuhrschienen 98 A bzw. B verbunden. Das Formend­ heizelement 90 ist in zwei leitenden Blöcken 100 A und B befestigt, die mit Stromzufuhrschienen 98 A bzw. 102 verbunden sind. Das Form­ endheizelement 92 ist in zwei leitenden Blöcken 104 A und B be­ festigt, die mit elektrischen Stromzufuhrschienen 106 bzw. 98 B verbunden sind. Die Heizelemente 88, 90 und 92 bestehen aus Graphit und sind derart angeordnet, daß sie die Seiten und Enden des oberen Endes einer Kapillarform 108 beheizen.

Der in den Fig. 2 bis 4 gezeigte Deckel 62 besteht in Wirklichkeit aus zwei Graphitplatten 110 A und 110 B, die sich in Schlitzen in den Wänden 70 C und 70 D erstrecken und mit diesen mit Hilfe von Stiften 112 verbunden sind, während die unteren Enden der Wände 70 A und B eine Feder- und Nut-Verbindung mit den gleichen Platten bilden, wie Fig. 2 zeigt.

Die Form 108 besteht aus Graphit und weist einen oberen Kapillar­ bereich 114 auf, mit einem engen horizontalen Kapillarschlitz 116, der sich über die volle Breite seines oberen Endes aus­ dehnt und mehrere vertikale Kapillarbohrungen 118 aufweist, die den Schlitz 116 schneiden. Das untere Ende des oberen Kapillar­ bereichs ist zwischen zwei Graphitplatten 120 A und B gelegt, deren innere Oberflächen gefräst sind und eine untere Kapillare 122 bilden. Die Platten 120 A und B sind wiederum zwischen Platten 110 A und 110 B angeordnet. Die oberen und unteren Formbereiche sind durch zwei Stifte 128 miteinander verbunden, die sich durch die Platten 110 A und 110 B, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, erstrecken.

Wie in den Fig. 2, 3, 8 und 9 zu erkennen, sind zwei Paare von Kühlrohren 132 A,B und 134 A,B an die Kopfplatte 68 in Abstand zu der äußeren Oberfläche der Kühlplatten 72 A und B angeschlossen.

Die Rohre 134 A und B sind an ihren unteren Enden durch einen horizontalen Bereich 144 verbunden. Die Rohre 132 A und B sind in ähnlicher Weise an ihren unteren Enden durch einen nicht gezeigten horizontalen Abschnitt verbunden. Diese unteren horizontalen Abschnitte 144 sind in Hohlräumen angeordnet, die in zwei Kühlschuhen 146 A und B aus Molybdän vorgesehen sind. Diese Kühlschuhe sind mit Rohrabschnitten 144 verbun­ den, so daß diese Kühlschuhe von den Rohren getragen werden. Die Kühlschuhe 146 A und B sind in der Nachbarschaft der unteren Enden der wärmeleitenden Platten 72 A und B angeordnet und sind mit gegenüberliegenden Seiten einer Kühlplatte 14 B verbunden, die in einer Ebene U-förmig ausgebildet ist (Fig. 2) und ein längliches Mittelloch 150 aufweist, durch das der Kristall 152 gezogen werden kann. Die Enden der Platte 158 sind mit Zungen 154 A und B versehen, die in Führungsrillen in den Gehäuse­ wänden 70 C und 70 D passen. Die Kühlplatte 148 erstreckt sich unter den Nacherhitzerplatten unmittelbar über dem oberen Ende der Kapillarform. Die Kühlplatte 148 besteht aus Graphit und kann verschiedene Formen annehmen, vorzugsweise ist sie jedoch auf gegenüberliegenden Seiten der Öffnung 150, wie in Fig. 2 gezeigt, geneigt. Die Kühlrohre 132 A,B und 134 A,B sind mit einer nicht gezeigten Kühlwasserquelle über entsprechende Verbindungs­ leitungen und eine Pumpe verbunden. Die obige Beschreibung läßt erkennen, daß parallele Kühlflüssigkeitskreise vorgesehen sind, durch die Kühlwasser über Kühlrohre 132 A und 134 A in die Kassette fließt und über die Kühlrohre 132 B und 134 B zurückfließt und daß hierdurch von den Kühlschuhen 146 A und B und der Kühlplatte 148 Wärme abgeführt wird.

Die oberen Enden der sechs Stromzufuhrschienen sind, wie in den Fig. 4 bis 9 zu erkennen, in der Kopfplatte 68 verankert und führen durch diese hindurch. Sie erstrecken sich auch durch ein Paar Justierplatten 160 A und B, die mit Rippen 162 versehen sind, die in Gleitschlitze in den Wandelementen 70 C und D passen. Die Justierplatten 160 A und B sind an ihren gegenüberstehenden Ober­ flächen zur Aufnahme der beiden wärmeleitenden Platten 72 A und 72 B und von zwei Gaszufuhreinsatzplatten 164 A und 164 B, die mit den wärmeleitenden Platten 72 A und B verbunden sind, eingekerbt. Es sei darauf hingewiesen, daß in dieser dargestellten Aus­ führungsform die wärmeleitenden Platten 72 A und B vertikale Nuten zur Aufnahme der Rohre 168 A und B aufweisen (siehe Fig. 2). Die beiden Platten 164 A und B bestehen aus hitzebeständigem Material und sind gekerbt, so daß diese und die benachbarte wärmeleitende Platte 72 (A oder B) eine Sammelkammer 170 bilden. Jede der wärmeleitenden Platten 72 A und B weist mehrere kleine Öffnungen 172 auf, die mit der Sammelkammer 170 in Ver­ bindung stehen, so daß das über die Rohre 168 A und B zugeführte Gas aus der Sammelkammer 170 in den länglichen Zwischenraum zwischen den wärmeleitenden Platten 72 A und B strömen kann. Die Rohre 168 A und B sind, wenn auch nicht gezeigt, mit einer geeigneten Quelle eines Kühlgases mit bestimmter Wärmeleit­ fähigkeit verbunden. Vorzugsweise wird als Kühlgas Helium oder Argon verwendet, das über die oberen Enden der Rohre 168 A und B unter leichtem positivem Druck und mit einer solchen Geschwindig­ keit zugeführt wird, daß zwischen den Platten 72 A und B eine Gasatmosphäre aufrechterhalten wird.

Die unteren Enden der Stromzufuhrschienen 84 A und B enden in dem Heizelement 78, das von ihnen gehalten wird. Zu diesem Zweck ist der Durchmesser jeder Stromzufuhrschiene im Endbereich reduziert und erstreckt sich durch eine Endzone 82 des Heizelements, ferner ist hier ein Gewinde aufgebracht, auf das eine Mutter 174 aufgeschraubt ist, um das Heizelement zu befestigen. Wie man in den Fig. 2 bis 5 erkennt, sind auch die unteren Enden der Stromzufuhrschienen 98 A und B, 102, 106 mit Gewinden ver­ sehen, die Muttern 176 aufnehmen, mit deren Hilfe die Blöcke 100 A und B und 104 A und B mit den Stromzufuhrschienen fest ver­ bunden sind. Die gleichen Stromzufuhrschienen gehen durch mehrere in gegenseitigem Abstand angeordnete flache Platten 178 hindurch, die einen mehrlagigen Formerwärmeschirm bilden. Die Platten 178 ruhen auf Schultern, die in den Seitenwänden 70 A bis 70 D des Kassettengehäuses ausgebildet sind. Alle Platten 178 haben einen länglichen Mittelschlitz 179, durch den sich das obere Ende der Form 108 erstreckt. Die Platten sind derart angeordnet, daß die oberste mit der oberen Endoberfläche der Form fluchtet oder ge­ ringfügig darunterliegt.

Ein zweiter Satz in gegenseitigem Abstand voneinander angeordneter Strahlungsschirme 180 ist zwischen den Kühlschuhen 146 A und B und den Platten 72 A und B angeordnet, um einen Wärmefluß von den unteren Enden der wärmeleitenden Platten zu den Kühlschuhen zu verhindern.

In das Gehäuse um die wärmeleitenden Platten 72 A und B ist ein geeignetes Wärmeisoliermaterial 182, z. B. Graphitfils, wie ge­ zeigt, gepackt, um Wärmeverluste zu vermeiden. Zur Erleichterung der Darstellung ist in den Fig. 3 und 9 nur ein Teil der Isolation 182 dargestellt.

Im folgenden wird ein spezielles Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, das von der Verwendung der bevorzugten Vorrichtung, die in den Fig. 2 bis 9 dargestellt ist, aus­ geht. Die Form ist derart dimensioniert, so daß ihre äußere Kantenkonfiguration an ihrem oberen Ende ein Rechteck bildet, mit den Maßen 0,35 mm · 50 mm. Die beiden wärmeleitenden Platten 72 A und B aus Graphit sind ungefähr 200 mm lang und 57 mm breit und haben eine Stärke, die zwischen 12,5 mm am unteren Ende und ungefähr 6,3 mm am oberen Ende variiert. Nimmt man nun an, daß der Schmelztiegel 56 mit einer Siliziumschmelze gefüllt ist, so wird die Kassette 64, wie in Fig. 2 gezeigt, so angeordnet, daß das untere Ende der Form 108 in die Schmelze eintaucht. Das ge­ schmolzene Material steigt bis zu dem oberen Ende der Form. Dem System wird durch Energiezufuhr an die beschriebenen Heizelemente Wärme zugeführt, so daß erstens die Temperatur der Form im Bereich der Heizelemente 88 ungefähr 10 bis 30° C über dem Schmelzpunkt von Silizium liegt und zweitens die Temperatur der wärmeleitenden Platten 72 A und B im Bereich des Heizelementes 78 ungefähr 1200° C beträgt. Durch die Rohre 132 und 134 zirkuliert Kühl­ wasser um die Kühlplatte 148 bei einer Temperatur von etwa 600 bis 900° C zu halten. Die Temperatur der oberen Ende der wärme­ leitenden Platten 72 A und B beträgt 600° C. Heliumgas wird über die Rohre 168 A und B mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 280 Liter pro Stunde (10 scfh) zugeführt. Hierauf wird wie in den US-Patentschriften 35 91 348 und 36 07 112 beschrieben, ein Keimkristall durch eine Zieheinrichtung durch den Durchlaß 166 und die Öffnung 150 abgesenkt, bis er die Oberseite der Form be­ rührt. Das untere Ende des Keimkristalls schmilzt und verbindet sich mit dem geschmolzenen Material am oberen Ende der Form. Hierauf wird die Kristallzieheinrichtung dazu verwendet, den Keimkristall mit einer ausgewählten Geschwindigkeit im Bereich zwischen 2,5 und 7,5 cm/min nach oben zu ziehen. Während der Keimkristall nach oben gezogen wird, wird kontinuierlich an dem Keimkristall ein im wesentlichen monokristallines Silizium­ band 22 mit einer Stärke von etwa 0,25 mm und einer Breite von ungefähr 50 mm gebildet. Das erzeugte Band wird nachdem es das Ofengehäuse 50 verlassen hat, durch Strahlung, Wärmeleitung und Konvektion auf Zimmertemperatur abgekühlt. Das erzeugte Band ist dimensionsstabil und im wesentlichen frei von Rest­ spannungen einer Größenordnung, die zu Bruch, Knicken, plastischem Fluß oder Kriechen führen könnte.

Die beschriebene Vorrichtung gestattet es, im wesentlichen mono­ kristalline Siliziumbänder mit kontrollierten Abmessungen und frei von Restspannungen bei optimalen Geschwindigkeiten und unter ge­ nauer Kontrolle der verschiedenen Ziehparameter zu ziehen. Die durch die Kühlplatteneinrichtung 148 erzeugte Kühlzone direkt über der Form ermöglicht die schnelle Abführung der Schmelz­ wärme. Die wärmeleitenden Platten 72 A und B ermöglichen es, ein konstantes Temperaturprofil in dem Band während dessen Abkühlung zu erzeugen. Dies gestattet es, Restspannungen in dem Band zu verhindern und erlaubt auch das Ziehen kristalliner Körper bei relativ hoher Geschwindigkeit.

Ein interessanter Aspekt der Erfindung besteht darin, daß das über die Rohre 168 A und B zugeführte Gas nicht zur Konvektions­ kühlung des erzeugten Kristalls dient, sondern dazu, ein Medium hoher Leitfähigkeit zwischen den Kristall und den wärmeleitenden Platten 72 A und B und 148 zu gewährleisten. Daher muß das Gas nicht gekühlt werden, wenn es in das System eingeführt wird, um seinem beabsichtigten Zweck zu dienen. Helium weist eine bessere Wärmeleitfähigkeit auf, als Argon und wird daher vorzugsweise verwendet. Jedoch kann man eine Mischung dieser Gase und/oder eines anderen Gases ausgewählter Wärmeleitfähigkeit anstelle von Helium oder Gas verwenden. Vorzugsweise wird das Gas in der Nähe der Kühl­ platte 148 zugeführt, so daß es durch die Öffnung 150 nach unten fließt und zwischen den Platten 72 A und B nach oben. Der Spalt zwischen jeder Seite des heißen Kristalls und dem benachbarten Teil der Platte 148 und den Plattan 72 A und B wird klein gehalten, vorzugsweise kleiner als ungefähr 0,75 mm. Ein Spalt ungefähr gleicher Abmessung besteht zwischen den Schmalseiten des Bandes und der Platten 148, 72 A und 72 B. Dadurch daß der Spalt zwischen den Platten 148 und dem Band mit einem gasförmigen wärmeleiten­ dem Medium gefüllt gehalten wird, erzielt man das Ergebnis, daß der Strahlungswärmeübergang zwischen dem Kristall und dem be­ nachbarten Teil der Platten durch einen Wärmeleitungsfluß unter­ stützt wird. Das gleiche gilt für die Verhältnisse zwischen dem Band und den Platten 72 A und B. Dies ist wichtig für die Erzeugung von Siliziumbändern, die ohne Restspannungen bei einer Geschwindig­ keit von über 5 cm/min erzeugt werden. Auch gewährleistet das Gas eine saubere Umgebung für den wachsenden Kristallkörper.

Die Formgebung der wärmeleitenden Platten 72 A und B zur Erzielung des gewünschten Temperaturgradienten längs der Ziehachse wird unter Berücksichtigung der Tatsache vorgenommen, daß der Wärme­ fluß längs dieser Platten ausgedrückt werden kann als

H = kA Δ T

worin H der Wärmefluß, k die Wärmeleitfähigkeit von Graphit ist, aus dem die Platten gemacht sind, A die Querschnittsfläche der Platte und Δ T der Wärmegradient ist. Da k eine inverse Funktion der Temperatur ist und H während des Kristallwachstums relativ konstant ist (das Kristalltemperaturprofil-Steuergerät ist so ausgelegt, daß die Wärmeleitung in Längsrichtung der vorherrschende Modus des Wärmeflusses in den Platten darstellt, so daß der Wärme­ verlust an dem oberen Ende im wesentlichen gleich dem Wärmezu­ fluß an dem unteren Ende ist), ist es möglich, durch Änderung der Querschnittsfläche der Platten, vorzugsweise dadurch daß die Breite konstant gehalten wird und die Stärke variiert wird, in Übereinstimmung mit den Werten von k an verschiedenen Punkten, wärmeleitende Platten herzustellen, die einen linearen Temperatur­ gradienten in ihrer Längsrichtung und damit in Längsrichtung des Kristalls, der zwischen ihnen angeordnet ist, aufweisen. In der in den Fig. 2 bis 9 dargestellten Vorrichtung haben die wärme­ leitenden Platten 72 A und B eine im wesentlichen konstante Tempera­ tur zwischen einer Seitenkante und der gegenüberliegenden Seiten­ kante, d. h. in horizontaler Richtung in der Darstellung der Fig. 2, 3 und 9.

Die Breite der wärmeleitenden Platten 72 A und B ist größer als die des gezogenen Bandes, so daß sie über die Seitenkanten des Bandes hinausstehen, wie das in den Fig. 3 und 9 dargestellt ist. Diese Bemessung der wärmeleitenden Platten 72 A und B ist wichtig, da sonst an den Schmalseiten des Bandes entstehende Wärmeverluste zu Restspannungen führen würde. Aus diesem Grund ist das Kristalltemperaturprofil-Steuergerät so ausgelegt, daß das wärmeleitende Medium Bereiche umfaßt, die sich nach oben entlang und in der Nähe der Seitenkanten des Bandes erstrecken, (siehe Fig. 9) auch erstreckt sich die Isolierung 182 um die Seitenkanten der wärmeleitenden Platten 72 A und B.

Im Rahmen der Erfindung sind eine Reihe von Änderungen gegen­ über dem dargestellten Ausführungsbeispiel möglich, so kann beispielsweise die Kopfplatte 68 und/oder die oberen Enden der wärmeleitenden Platten 72 A und B derart modifiziert werden, daß ein Kühlmittel darin zirkulieren kann, um die oberen Enden dieser wärmeleitenden Platten bei einer genau eingestellten Temperatur zu halten. Eine andere mögliche Modifikation besteht darin, die Form der einander gegenüberstehenden inneren Oberflächen der wärmeleitenden Platten 72 A und B zu verändern, um sie der Gestalt des Kristalls anzupassen, falls die Erfindung beim Ziehen von Kristallen mit anderer Querschnittsform angewendet wird. Falls beispielsweise die Kapillarform für das Ziehen zylindrischer Siliziumrohre ausgelegt wird, würde die innere (und vorzugsweise auch die äußere Oberfläche der wärmeleitenden Platten 72 A und B eine kreisförmige Querschnittsform aufweisen, um sich der ent­ sprechenden Querschnittsform des gezogenen Kristallkörpers an­ zupassen. Man könnte auch eine der wärmeleitenden Platten 72 A oder B durch eine wärmeisolierende Platte ersetzen. In diesem Fall würde die verbleibende wärmeleitende Platte einen ähnlichen Temperaturgradienten in dem Band erzeugen. Auch beim Ziehen eines Kristalls mit einer geschlossenen Form, beispielsweise eines zylindrischen Rohres, könnte ein Wärmeisolator innerhalb des ge­ zogenen rohrförmigen Kristalls angeordnet werden, um die Wärme­ strahlungsübertragung in senkrechter Richtung innerhalb des Rohres zu begrenzen.

Claims (12)

1. Verfahren zum Ziehen eines aus einem vorgegebenen Kristallmaterial bestehenden Kristallkörpers aus einer Schmelze dieses Materials, mit den Verfahrens­ schritten

• - Ausbildung einer Flüssig/Fest-Zieh-Grenzfläche zwischen einem Kristallkeim und der Schmelze,
• - fortlaufendes Abziehen des anwachsenden Kristall­ körpers von der Flüssig/Fest-Grenzfläche längs einer vorgegebenen Ziehachse,
• - Führung des Kristallkörpers durch eine Kühlzone zur Verringerung thermischer Spannungen,
• - sowie anschließende Führung des Kristallkörpers durch eine Sekundär-Kühlzone zur Verringerung seiner Temperatur auf Zimmertemperatur,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß in der Kühlzone ein wenigstens teilweise durch einen Block aus einem wärmeleitenden Material be­ stimmter, annähernd linearer Temperaturgradient aufrechterhalten wird,
• - daß der einen Kanal für den Durchtritt des Zieh­ körpers aufweisende Block (32, 34; 72 a, 72 b) aus wärmeleitendem Material so wärmeisoliert ist, daß über die gesamte Längserstreckung des Ziehkanals Wärmeleitung in dem Block der vorwiegende Prozeß der Wärmeabfuhr von dem gezogenen Kristallkörper ist,
• - daß an dem der Ziehzone benachbarten Ende der Kühlzone die Temperatur auf einem Wert gehalten wird, der unter dem Schmelzpunkt des vorgegebenen Kristallmaterials, jedoch oberhalb der maximalen Temperatur liegt, bei welcher in dem Körper aus dem vorgegebenen Material noch kein plastisches Fließen auftritt,
• - und daß am anderen, von der Ziehzone entfernten Ende der Kühlzone die Temperatur auf einem Wert unterhalb der genannten maximalen Temperatur, bei welcher in dem vorgegebenen Kristallmaterial noch kein plastisches Fließen auftritt, gehalten wird,
• - derart, daß beim Abziehen des anwachsenden Kristall­ körpers entlang dem Durchtrittskanal in dem Block aus wärmeleitendem Material die Temperatur des Ziehkörpers fortschreitend in Abhängigkeit von dem Temperatur­ profil des Blocks aus wärmeleitendem Material ver­ ringert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kristallmaterial Silizium verwendet wird, daß als Wärmeleitmaterial für den das Temperaturprofil der Kühlzone bestimmenden Block Graphit verwendet wird, und daß der Temperaturverlauf so eingestellt wird, daß der Kristallkörper an dem der Flüssig/Fest-Zieh-Grenz­ fläche benachbarten Ende des Blocks aus wärmeleitendem Material eine Temperatur im Bereich zwischen 1050° C und 1250° C und beim Austritt aus dem durch den Block aus wärmeleitendem Material gebildeten Ziehkanal eine Temperatur im Bereich zwischen 600° C und 800° C aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Block aus dem wärmeleitenden Material an seinem der Flüssig/Fest-Zieh-Grenzfläche benachbarten Ende Wärme durch elektrische Heizung zugeführt wird.

4. Vorrichtung zum Ziehen eines Kristall­ körpers aus einer Schmelze dieses Materials, nach dem Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

• - mit Mitteln zur Ausbildung einer Flüssig/Fest-Zieh- Grenzfläche,
• - mit einer Zieheinrichtung zum fortschreitenden Ab­ ziehen eines anwachsenden Kristallkörpers von der Grenzfläche längs einer vorgegebenen Achse,
• - sowie mit einer zwischen der Flüssig/Fest-Grenzfläche und der Zieheinrichtung angeordneten Temperaturprofil- Steuereinrichtung zur Einstellung eines gesteuerten Temperaturgradienten in Längsrichtung des Ziehkörpers zur Verringerung thermischer Spannungen,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß als Temperaturprofil-Steuereinrichtung eine Wärme­ strömungseinrichtung (24) vorgesehen ist, welche we­ nigstens einen sich in Längsrichtung entlang der Zieh­ achse erstreckenden Block (32, 34) aus wärmeleitendem Material aufweist, welcher einen Kanal (30) bildet, durch welchen der anwachsende Kristallkörper (22) gezogen wird, und der so bemessen ist, daß sich ent­ lang der Ziehachse ein annähernd linearer Temperatur­ gradient einstellt, wobei die Temperatur mit zunehmen­ der Entfernung von der Flüssig/Fest-Zieh-Grenzfläche abnimmt,
• - daß an der Außenseite der Wärmeströmungseinrichtung feste Wärmeisolationsmittel (26, 28) so angeordnet sind, daß Wärmestrahlungsverluste von der Wärme­ strömungseinrichtung (24) in seitlicher Richtung möglichst klein sind und entlang der gesamten Längs­ erstreckung der Wärmeströmungseinrichtung Wärmelei­ tung der vorherrschende Wärmeströmungsprozeß ist;
• - daß eine Heizeinrichtung (40, 42) zur Wärmezufuhr an die Wärmeströmungseinrichtung (24) an deren den Mitteln (10-18) zur Einstellung der Flüssig/Fest-Zieh- Grenzfläche benachbartem Ende vorgesehen sind,
• - und daß an dem in Längsrichtung von der Flüssig/Fest- Zieh-Grenzfläche entfernten zweiten Ende der Wärme­ strömungseinrichtung (24) eine feste Wärmesenke (36, 38) zur Wärmeabfuhr von diesem Ende der Wärmeströmungs­ einrichtung (24) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Block aus wärmeleitendem Material wenigstens über einen Bereich seiner Längserstreckung eine mit zunehmender Entfernung von der Flüssig/Fest-Zieh-Grenz­ fläche abnehmende Dicke besitzt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ziehkanal (30) in der Wärmeströmungseinrichtung (24; 64) so bemessen ist, daß sich das wärmeleitende Material auf wenigstens einer Seite parallel zu und unmittelbar benachbart dem Ziehkörper erstreckt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, daß an einer stromabwärts der erstgenannten Heizein­ richtung (40, 42) gelegenen Stelle wenigstens eine zu­ sätzliche weitere Einrichtung zur Wärmezufuhr an die Wärmeströmungseinrichtung vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeströmungseinrichtung zwei gegenüberstehend angeordnete Platten (32, 34; 72 a, 72 b) aufweist, die mit ihrem gegenseitigen Abstand den Ziehkanal (30) für den Durchtritt des gezogenen Kristallkörpers (22) bilden.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die die Wärmeströmungseinrichtung bildenden Block bzw. Platten (32, 34; 72 a, 72 b) aus Graphit bestehen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Ausbildung der Flüssig/Fest-Zieh- Grenzfläche ein mit der Wärmeströmungseinrichtung (24; 64) ausgerichtetes Kapillarformgebungsteil (10; 114) aufweisen, das mit seinem einen Ende (20; 108) in einem Schmelztiegel (2; 56) angeordnet ist.